(대전=세종충청뉴스) 송윤영 기자 = 폴리에스터 아마이드는 일반적으로 많이 사용되는 플라스틱인 PET(폴리에스터)와 나일론(폴리아마이드)의 장점을 모두 갖춘 차세대 소재다. 하지만 지금까지는 화석 연료에서만 생산할 수 있어 환경오염 문제를 피할 수 없었다. KAIST 연구진이 플라스틱을 대체할 미생물을 이용한 신규 바이오 기반 플라스틱을 개발하는데 성공했다.

KAIST(총장 이광형)는 생명화학공학과 이상엽 특훈교수 연구팀이 시스템 대사공학을 이용하여 미생물 균주를 개발하고 여러 가지 신규 유형의 친환경 바이오 플라스틱인 폴리에스터 아마이드를 생산하여, 한국화학연구원(원장 이영국) 연구진과 공동 분석을 통해 생산된 이 플라스틱의 물성 확인까지 성공했다고 20일 밝혔다.

이상엽 특훈교수 연구팀은 자연계에 존재하지 않는 새로운 미생물 대사회로를 설계해 폴리(3-하이드록시뷰티레이트-ran-3-아미노프로피오네이트), 폴리(3-하이드록시뷰티레이트-ran-4-아미노뷰티레이트) 등을 포함한 9종의 다른 폴리에스터 아마이드를 생산할 수 있는 플랫폼 미생물 균주를 개발했다.

폐목재, 잡초 등 지구상에서 가장 풍부한 바이오매스의 주원료인 포도당을 원료로 사용해 폴리에스터 아마이드를 친환경적으로 생산할 수 있도록 했다. 또한 연구팀은 해단 균주의 유가 배양식 발효 공정을 이용해 고효율 생산 (54.57 g/L)을 보임으로써 추후 산업화될 가능성도 확인했다.

KAIST 연구진은 한국화학연구원 정해민, 신지훈 연구원과 함께 바이오 기반 플라스틱의 물성을 분석한 결과, 기존의 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)과 유사한 성질을 갖고 있는 것으로 나타났다. 즉, 친환경적이면서도 기존 플라스틱을 대체할 수 있을 만큼 강도와 내구성이 뛰어나다는 것을 확인했다.

이번 연구에서 개발된 균주 및 전략들은 여러 가지 폴리에스터 아마이드 뿐만 아니라 다른 그룹의 여러가지 고분자들을 생산하는 대사회로들을 구축하는데 유용하게 쓰일 것으로 예상된다.

이상엽 특훈교수는 “이번 연구는 석유화학 산업 기반에 의존하지 않고도 폴리에스터 아마이드(플라스틱)을 재생가능한 바이오기반 화학산업을 통해 만들수 있는 가능성을 세계 최초로 제시한 것으로 앞으로 생산량과 생산성을 더욱 높이는 연구를 이어갈 계획”이라 말했다.

해당 연구 결과는 국제 학술지인 `네이쳐 케미컬 바이올로지(Nature Chemical Biology)'에 3월 17일자로 온라인 게재됐다.

※ 논문명 : Biosynthesis of poly(ester amide)s in engineered Escherichia coli, DOI:10.1038/s41589-025-01842-2)

※ 저자 정보 : 채동언(KAIST, 제1저자), 최소영(KAIST, 제2저자), 안다희(KAIST, 제3저자), 장우대(KAIST, 제4저자), 정해민(한국화학연구원, 제5저자), 신지훈(한국화학연구원, 제6저자), 이상엽(KAIST, 교신저자) 포함 총 7명

한편, 이번 연구는 과기정통부가 지원하는 석유대체 친환경 화학기술개발사업의 ‘바이오화학산업 선도를 위한 차세대 바이오리파이너리 원천기술 개발’ 과제(과제 책임자 KAIST 이상엽 특훈교수)의 지원을 받아 수행됐다. 

붙임 : 연구개요, 용어 설명, 그림 설명, 연구 이야기, 

붙임1

연구개요

□ 연구 배경

ㅇ 플라스틱 폐기물로 인한 환경 문제로 인해 다양한 고분자 및 고분자 단량체들의 친환경 생산에 대한 관심이 높아지고 있다. 폴리에스터 아마이드는 널리 사용되는 플라스틱인 폴리에스터 (예를 들어 PET)와 폴리아마이드 (예를 들어 나일론)의 장점을 모두 갖고있는 유망한 고분자이다.

ㅇ 생물학적 생산 방법의 부재로 폴리에스터 아마이드의 생산은 지구온난화와 같은 여러 가지 문제를 야기하는 석유 화학 기반의 생산법에 의존하였다.

ㅇ 이러한 문제를 해결하기 위해, 이상엽 특훈교수 연구팀은 시스템 대사공학을 활용하여 다양한 종류의 폴리에스터 아마이드를 생산하는 플랫폼 미생물 균주를 개발 연구를 수행하였다

□ 연구 내용

ㅇ 본 연구팀은 자연계에 존재하지 않던 신규 대사회로를 디자인 및 구축하여 폴리(3-하이드록시뷰티레이트-ran-3-아미노프로피오네이트), 폴리(3-하이드록시뷰티레이트-ran-4-아미노뷰티레이트) 등을 포함한 9종의 다른 폴리에스터 아마이드를 생산하는 플랫폼 미생물 균주를 개발하였다.

ㅇ 또한, 시스템 대사공학을 통하여 폐목재, 잡초 등 지구상에서 가장 풍부한 바이오매스의 주원료인 포도당을 단일 탄소원으로 사용하여 대표적인 폴리에스터 아마이드인 폴리(3-하이드록시뷰티레이트-ran-3-아미노프로피오네이트)를 생산하였으며, 해당 균주의 유가 배양식 발효를 통하여 54.57 g/L의 높은 효율의 생산에 성공하였다.

ㅇ 더 나아가, 생산된 폴리에스터 아마이드의 물리적, 열적, 기계적 물성을 분석하여 그 결과 현재 널리 사용되고 있는 고밀도 폴리에틸렌를 대체할 수 있는 가능성이 있다는 점을 확인하였다.

ㅇ 이번 연구를 통해 재생 가능한 바이오매스로부터 폴리에스터 아마이드 고분자를 생산하는 미생물 균주를 최초로 개발하였다고 연구 관계자는 설명했다.

붙임2

용어 설명

1. 대사공학 (Metabolic engineering)

○ 대사 물질의 생산경로 조작을 통해 목적 대사 물질의 생산을 최적화하는 기술을 의미한다. 대사공학은 생산경로 유전자의 과발현, 경쟁 경로 유전자의 제거, 또는 외래 유전자의 도입 등을 통해 미생물이 가지고 있는 고유의 대사 경로를 변형시킴으로써, 원하는 산물의 생산을 극대화하고자 하며, 이 과정에서 컴퓨터 모델링을 비롯한 다양한 공학 도구들이 사용된다. 미생물을 이용해 생산 가능한 다양한 화학물질들은 에너지, 식품, 의약, 화장품, 화학산업 등에 널리 활용되고 있다.

2. 시스템 대사공학 (Systems metabolic engineering)

○ 기존 대사공학적 기법과 시스템생물학, 합성생물학 및 진화공학 기법 등과의 융합을 통해 체계적으로 미생물 대사를 재설계하여 목표 화학물질의 대량생산을 가능하게 하는 학문이다. 이 기술은 2016년 세계경제포럼에서 ‘2016년 10대 떠오르는 기술’에 선정된 바 있다.

3. 폴리에스터 아마이드 [Poly(ester amide)]

○ 에스터 결합과 아마이드 결합을 모두 가지고 있는 고분자를 의미한다. 이러한 화학구조적 특성으로 현재 폴리에스터의 장점인 생체적합성과 생분해성, 폴리아마이드의 장점인 높은 열적, 기계적 특성을 모두 갖고 있어 유망한 고분자이다.

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