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미생물로 플라스틱 만들고, 폐플라스틱 분해도 가능해진다

2018.01.30 과학기술정보통신부

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□ 한국과학기술원(KAIST) 생명화학공학과 이상엽 교수 연구팀이 최근 친환경 바이오매스를 활용하여 플라스틱을 생산하는 기술과 폐플라스틱을 재활용할 수 있는 기술을 각각 개발했다고 과학기술정보통신부(장관 유영민, 이하 ‘과기정통부’)는 밝혔다.
o기후 변화 문제가 심각해짐에 따라 국제적으로 ‘지속 가능한 친환경 화학 산업을 위한 연구개발(R&D)’이 활발한 가운데,
- 두 연구성과는 미생물발효를 통해 방향족 폴리에스테르*를생산하는 기술을 세계 최초로 개발하고, 더 나아가 기존 플라스틱을 재활용하여 친환경 플라스틱을 생산할 수 있는 가능성을 제시하였다는 점에서 의미가 있다.
* (방향족 폴리에스테르) 강도 및 열안정성이 우수하여 병, 식료품 포장재 등에 사용되는 중요한 원료이며, 대표적으로 PET(폴리에틸렌테레프탈레이트: PET병 원료)가 있다.
□ 연구결과는 국제 학술지인 「네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)」 1월 8일 및 1월 26일자 온라인판에 각각 게재되었다.

	논문명 / 저자정보
1월 8일자	One-step fermentative production of aromatic polyesters from glucose by metabolically engineered Escherichia coli strains
1월 8일자	양정은(한국과학기술원, 공동 제1저자), 박시재(이화여자대, 공동 제1저자), 이상엽(교신저자) 포함 총 8명
1월 26일자	Structural insight into molecular mechanism of poly(ethylene terephthalate) degradation
1월 26일자	주성준(경북대, 공동 제 1저자) 조인진(KAIST, 공동 제1저자), 서호균(경북대, 공동 제 1저자), 이상엽(교신저자), 김경진(교신저자) 포함 총 9명

<연구결과 1 : 미생물로 방향족 폴리에스테르를 생산하는 기술개발>
□ 고분자인 방향족 폴리에스테르는 원유(crude oil)로부터 복잡한 공정을 거쳐야 얻을 수 있기 때문에 친환경적이지 않다. 그렇지만, 페트병 생산의 원료로서 우리 생활에 필수적인 물질이다.
□ 한국과학기술원(KAIST) 이상엽 교수 연구팀과 이화여대 박시재 교수 연구팀은 공동 연구를 통해 개량된 대장균을 직접 발효하여 비식용(非食用) 바이오매스로부터 방향족 폴리에스테르를 생산할 수 있는 친환경 원천기술을 세계 최초로 개발하였다.
o연구팀은 컴퓨터 기반 가상세포를 이용한 대장균 균주의 대사흐름분석기술을 적용한 시스템 대사공학기법^*을 활용하여, 고분자 생산에 핵심인 코에이-전이효소(CoA-transferase)^**의 기존에 밝혀지지 않은 반응을 규명하고, 이를 활용해 다양한 종류의 방향족 폴리에스테르를 생산하였다.
* 세포 기반의 각종 데이터를 통합하여 생리 상태를 다차원으로 규명하고, 이 정보를 바탕으로 맞춤형 대사조절을 함으로써 고효율 미생물 균주를 개발하는 기술
** 코에이-전이효소(CoA-transferase): CoA(coenzyme A)를 전달하는 반응에 관여하는 효소
o 시스템 대사공학과 합성생물학 기술을 접목한 전략을 사용하여 비천연 고분자인 방향족 폴리에스테르를 친환경적이면서도 효율적으로 생산하는데 성공함으로써, 향후 바이오 플라스틱 산업 성장에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.
<연구결과 2 : PET 분해성능이 우수한 효소 개발 성공>
□ 위 연구와 별도로, 이상엽 교수 연구팀과 경북대학교 김경진 교수 연구팀은 공동 연구를 통해 기존 알려진 효소보다 월등한 PET 분해능력을 가지는 효소의 구조를 밝히고, 이 효소의 우수한 PET 분해 원인 규명 및 PET 분해 활성이 증가된 변이 효소 개발까지 성공하였다.
□ PET는 합성 플라스틱으로 자연 분해가 어려워 소각, 매립하기 때문에, 이 과정에서 여러 환경 문제를 야기한다. 따라서친환경적인 PET 분해를 위해 미생물이 가진 효소를 이용하기 위한 연구개발이 활발하다.
o 기존의 미생물 기반 PET 분해는 시간․비용적인 측면에서 비효율적이었다. 이를 극복하기 위해 PET를 고효율로 분해할 수 있는 효소를 개발해 왔는데, 2016년에 일본 연구진은 Science 저널에 Ideonella sakaiensis균의높은 PET 분해능력을 갖는 신규 효소(PETase)를 발표한 바 있다.
□ 본 연구팀은 이 신규 효소(PETase)가 기존 알려진 효소 대비 높은 PET 분해능을 가지는 원인을 규명하고, 이를 활용하여 고효율의 효소 개발이 가능하도록 Ideonella sakaiensis의 PETase 효소의 단백질 결정 구조를 밝혔다.
o 이 과정에서 컴퓨터 기반 도킹 시뮬레이션^*을 통해 PETase 효소와 PET를 모사하는 화합물과의 도킹에 성공하여 결합 구조를 제시할 수 있었다.
*두 분자간의 상호 작용을 모델링하기 위해 사용되는 컴퓨터 시뮬레이션 기술의 일환
o 또한 특정 부위 돌연변이 유도^*를 통해 PET 분해 기작에 중요한 역할을 하는 잔기(residue)를 밝히고, 효소 엔지니어링^**을 진행하여 PET 분해 활성이 증가된 PETase 변이 효소 개발까지 성공하였다.
*특정 부위 돌연변이 유도 : 구조 및 기작 관련 주요 잔기 정보를 바탕으로 특정 아미노산 서열을 치환하여 변이 효소를 제작하는 기법
** 효소 엔지니어링 : 효소의 활성을 향상시키거나 신규 기능을 가지게 하는 등 효소의 응용을 목적으로 이루어지는 조작으로 유전자 재조합 기술 등을 통해 이루어짐
o 동 연구도 미생물을 활용한 친환경 플라스틱 재활용 산업을 가속화할수 있다는 점에서 지속가능한 플라스틱 산업에 중요한 의미를 가진다.
□ 이상엽 교수는 “미생물로 합성 플라스틱을 대체하는 플라스틱을 생산하고, 기존 화학적으로 생산된 플라스틱을 다시 미생물로 분해하는 기술이 개발되었으므로, 친환경 화학산업으로의 재편이 가능해질 것“이라고 말했다.
□ 첫 번째 연구는 과기정통부 글로벌프런티어사업의 ‘지능형 바이오 시스템 설계 및 합성 연구 과제’와 기후변화대응 기술개발사업의 융합 연구를 통해,두 번째 연구는 기후변화대응 기술개발사업의 '바이오 리파이너리를 위한 시스템 대사공학 기술개발 과제'를 통해 추진되었다.

“이 자료는 과학기술정보통신부의 보도자료를 전재하여 제공함을 알려드립니다.”

<자료출처=정책브리핑 www.korea.kr>

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