미생물 이용한 플라스틱 환경오염 문제 해결 다가가
여러 친환경 고분자 중에서도 폴리하이드록시알카노에이트(이하 PHA)는 생분해성과 생체 적합성이 뛰어나 토양이나 해양 환경에서도 생분해되며, 식품 포장재나 의료용품 등에 사용되고 있다. 하지만 지금까지 생산된 천연 PHA(natural PHA)는 내구성, 열적 안정성 등 다양한 물성을 충족시키기 어렵고, 생산 농도가 낮아 상업적으로 활용하는 데 한계가 있었다. KAIST 연구진이 플라스틱으로 인한 환경오염 문제 해결에 중요한 기술을 개발해 화제다.
KAIST(총장 이광형)는 생명화학공학과 이영준 박사와 강민주 석사과정생을 포함한 이상엽 특훈교수 연구팀이 시스템 대사공학을 이용해 `방향족 폴리에스터*를 고효율로 생산하는 미생물 균주 개발'에 성공했다고 26일 밝혔다.
*방향족 폴리에스터: 방향족 화합물(벤젠과 같은 특별한 형태의 탄소 고리 구조)을 포함하고 에스터 결합을 가지고 있는 고분자
이번 연구에서는 대사공학을 이용해 대장균 내 방향족 단량체인 페닐 젖산(phenyllactate, PhLA) 생합성 회로의 대사 흐름을 강화하고 대사 회로를 조작해 세포 내부에 축적된 고분자의 분율을 높였으며, 컴퓨터 시뮬레이션을 이용해 PHA 합성 효소의 구조를 예측하고 구조와 기능의 상관관계를 바탕으로 효소를 개량했다.
연구팀은 이후 발효 최적화를 통해 세계 최고 농도(12.3±0.1 g/L)로 폴리(PhLA)를 고효율로 생산하고 30L 규모의 유가식 발효로 성공적으로 폴리에스터를 생산해 산업화 수준 생산의 가능성도 보였다. 생산된 방향족 폴리에스터들은 추후 약물 전달체로서의 가능성과 더불어 향상된 열적 물성, 상업화되고 개선된 기계적 물성을 보여주었다.
연구팀은 비천연 PHA 생산에서 외래 파신(phasin) 단백질*이 경제성, 효율성과 직결되는 세포 내 고분자 축적분율 증가에 중요한 역할을 한다는 것을 입증하고 PHA 합성 효소를 합리적 효소 설계 방법으로 개량했다. 효소의 삼차원 입체 구조를 호몰로지 모델링(비슷한 단백질의 구조를 바탕으로 새로운 단백질의 삼차원 입체 구조를 예측하는 방법)을 통해 예측하고, 이를 분자 도킹 시뮬레이션(단량체가 효소에 잘 결합할 수 있는지 예측하는 시뮬레이션)과 분자 동역학 시뮬레이션(분자들이 시간에 따라 어떻게 움직이고 상호작용하는지 예측하는 시뮬레이션)을 이용해 단량체의 중합 효율이 향상된 변이 효소로 개량했다.
*외래 파신 단백질: 파신은 PHA 생산과 관련된 단백질로 작은 입자(granule) 형태의 PHA 표면에서 세포질 환경과 상호작용하며 고분자 축적, granule 수 및 크기 조절 등에 관여한다. 본 연구에서는 다양한 천연 PHA 생산 미생물로부터 유래된 파신 단백질 암호화 유전자를 선별해 도입하였다.
이번 논문의 공동 제1 저자인 이영준 박사는 “친환경적인 원료와 방법으로 미생물 기반의 방향족 폴리에스터를 세계 최고 농도로 생산했다는 점에 의의가 있다”며 “이 기술이 플라스틱으로 인한 환경 오염 문제 해결에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다”고 밝혔다. 또한 이상엽 특훈교수는 “시스템 대사공학을 이용해 유용한 고분자를 고효율로 생산하기 위해 다양한 전략을 제시한 이번 연구가 기후 변화 문제와 특히 최근 플라스틱 문제의 해결에 크게 기여할 수 있을 것”이라고 밝혔다.
해당 연구 결과는 국제 학술지인 셀(Cell) 誌가 발행하는 `생물공학 동향(Trends in Biotechnology)'에 8월 21일에 게재됐다.
※ 논문명 : Microbial production of an aromatic homopolyester
※ 저자 정보 : 이영준(한국과학기술원, 공동 제1 저자), 강민주 (한국과학기술원, 공동 제1 저자), 장우대(한국과학기술원, 제2 저자), 최소영(한국과학기술원, 제3 저자), 양정은(한국과학기술원, 제4 저자), 이상엽(한국과학기술원, 교신저자) 포함 총 6명
한편 이번 연구는 과기정통부가 지원하는 석유 대체 친환경 화학기술개발사업의 ‘바이오화학산업 선도를 위한 차세대 바이오리파이너리 원천기술 개발’ 과제 (과제 책임자 KAIST 이상엽 특훈교수)와 ‘미생물 세포공장 기반 신규 방향족 바이오플라스틱의 원스텝-원팟 생산 원천기술 개발 과제 (과제 책임자 이화여대 박시재 교수)’의 지원을 받아 수행됐다.
□ 연구 배경
ㅇ 화석 연료를 기반으로 만들어지는 플라스틱의 생산과 폐기 과정에서 일어나는 환경 오염 문제의 대두에 따라 생분해성 친환경 고분자에 대한 생산과 관심이 빠르게 증가하고 있다. 여러 친환경 고분자 중에서도 PHA는 생분해성, 생체 적합성 등이 우수해 화석 연료 기반 플라스틱의 대체제로 주목 받고 있다. 이 중에서도 방향족 PHA의 경우 벤젠 고리를 갖는 방향족 단량체의 도입으로 열적, 기계적 물성이 향상되어 상업화된 방향족 고분자를 대체할 수 있을 것으로 예상된다.
ㅇ 그동안 미생물 내 대사회로를 조작하여 방향족 PHA를 생산하고자 하는 연구들이 많이 이루어져 왔지만, 대부분은 값이 비싸고 독성이 있는 전구체를 공급해서 만들었고, 낮은 방향족 단량체 분율 등이 한계로 여겨졌다. 또한 PHA 합성 효소는 PHA 생산 능력을 높이고 새로운 비천연 PHA의 합성에 중요한 역할을 하는 것으로 알려졌지만 그 개량이 한계로 지목되어 왔었다.
ㅇ 이러한 문제를 해결하기 위해, 방향족 폴리에스터를 친환경, 고효율로 생산하기 위한 미생물 세포 공장을 개발하려는 노력이 이루어지고 있으며, 이에 KAIST 이영준 박사와 강민주 석사과정생을 포함하는 (지도교수 이상엽 특훈교수) 연구팀은 포도당으로부터 방향족 폴리에스터를 고효율로 생산할 수 있는 대장균 군주 개발 연구를 수행했다.
□ 연구 내용
ㅇ 본 연구팀은 페닐 젖산 단량체의 증산을 위한 대사 회로 최적화뿐만 아니라 여러 천연 PHA 생산 미생물로부터 외래 파신 단백질을 대장균 균주에 도입·선별하고 그 발현량을 조절해 파신 단백질이 천연 PHA 뿐 아니라 비천연 PHA 합성을 증가시키는 데에 도움을 준다는 사실을 밝혀냈다.
ㅇ 방향족 단량체의 중합이 PHA 생산에서 병목 현상으로 지목되었지만, 해당 반응을 촉매하는 PHA 합성 효소의 구조와 반응 메커니즘이 정확히 밝혀지지 않아 이와 관련된 효소 개량에 어려움이 있었다. 이를 해결하기 위해 전산 생물학을 이용해 PHA 합성 효소의 합리적 설계 전략을 제시하였다. 삼차원 입체 구조를 호몰로지 모델링을 통해 예측하고, 이를 분자 도킹 시뮬레이션과 분자 동역학 시뮬레이션을 이용해 타깃 단량체의 중합 효율이 향상된 변이 효소를 찾아냈다.
ㅇ 연구진은 또한 유가식 발효 과정을 최적화하여 세계 최고 농도의 페닐 젖산 동종중합체와 3-hydroxybutyrate(3HB) 단위체와의 공중합체를 생산하였다. 30L 규모의 생산에서도 높은 생산 농도로 공중합체가 생산되었으며 이는 방향족 PHA의 산업화 수준 생산의 가능성을 보여준다.
ㅇ 이번 연구를 통해 재생 가능한 바이오매스로부터 얻어지는 포도당을 탄소원으로 사용해 방향족 폴리에스터를 고효율로 생산하는 대장균 균주를 개발했다고 연구팀 관계자는 설명했다.
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BRIC(ibric.org) Bio통신원(KAIST) 등록 2024.08.26