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- 실리콘-탄소 결합은 인간이 인공적으로 생산해 약 80년 동안 사용해 왔다.
- 생물학, 환경친화적 방식으로 실리콘-탄소 결합 생성할 수 있는 박테리아 효소 개발
- 실록산을 분해하는 효과적인 효소를 생산할 수 있다.

최초의 실리콘 분해 효소 개발
자연의 도움으로 끊어진 완고한 화학 결합

인공 화학물질은 환경을 위협한다.
실록산*의 기본 화학 구조는 규소-산소 결합으로 구성된다. 탄소 함유 그룹(종종 메틸 그룹)도 실리콘 원자에 결합돼 있다. 이러한 실리콘-탄소 결합은 자연에서는 발생하지 않지만, 인간이 인공적으로 생산해 약 80년 동안 사용해 왔다.
(실록산: siloxane, Siloxan. Si-O 결합(실록산 결합)을 포함한 화합물 중 규소, 산소, 수소로 되어 있는 화합물을 총칭. 일반식 H3SiO(H2SiO)nSiH3, (-H2 SiO-)n 등으로 표시)

▲ 규소-탄소 결합을 끊는 실험실에서 개발된 효소에 대한 예술가의 인상. © Caltech/Dow

실록산이 환경에 유입되면 더 작은 조각으로 분해되어 부유 입자로 대기에 유입될 수 있다. 대기에서 입자는 자유 라디칼과 반응해 더 분해되어 자연에 축적된다. 이러한 분해 산물이 환경과 건강에 미칠 수 있는 위험에 대해서는 알려진 바가 거의 없지만, 일부 생명체에 독성이 있을 수 있다는 증거가 있다. 이 부패 과정에는 몇 달이 걸릴 수 있다. 마지막으로 깨지는 것은 견고한 실리콘-탄소 결합이다.

더 나은 효소를 향한 방향성 진화

이 과정을 가속화하고 실록산의 분해 생성물을 더 잘 이해하기 위해 캘리포니아 공과대학(Caltech)의 타일러 풀톤(Tyler Fulton)이 이끄는 연구원들은 이러한 화합물을 분해하는 새로운 기술을 개발했다. 예비 작업에서 생화학자들은 이미 생물학적, 환경친화적인 방식으로 이러한 부자연스러운 실리콘-탄소 결합을 생성할 수 있는 박테리아 효소를 개발했다.

이에 이어 연구팀은 이제 또 다른 박테리아 효소를 수정하고 최적화하여 반대 과정, 즉 결합을 다시 끊는 과정을 수행할 수 있게 되었다. 연구자들은 소위 방향성 진화(Directed Evolution)를 사용해 실험실에서 두 효소를 모두 배양했다. 그들은 원하는 특성이 나타날 때까지 효소를 코딩하는 유전자에 여러 번 사소한 변화를 가했다.

"지향적 진화에서 우리는 수백 개의 새로운 효소를 동시에 평가해 활성이 향상된 몇 가지 효소 변이체를 식별했다"고 Fulton은 설명했다. 그런 다음 이러한 변형을 선택하고 추가로 최적화했다.

▲ 폴리디메틸실록산(PDMS)의 구조식. © Smokefoot

자연에서 출발점을 찾다

2018년 노벨 화학상을 수상한 유도 발전을 이용한 이러한 효소 변형 과정은 이제 생화학 및 생명공학 분야의 표준이 되었다. "도전은 원하는 활성이 아주 적은 양의 방향성 진화 과정을 위한 시작 효소를 찾는 것이었다"고 칼텍(Caltech)의 수석 저자이자 노벨상 수상자인 프랜시스 아놀드(Frances Arnold)가 말했다.

일반적으로 그렇듯이 처음부터 시작해 자연에서 이 시작 효소를 무작위로 검색하는 대신 Arnold와 동료들은 여기서도 예비 작업에 의존할 수 있었다. "우리는 이전에 다른 유형의 새로운 실리콘 화학을 위해 만든 고유한 시토크롬 P450 효소 컬렉션에서 적합한 시작 효소를 찾았다.“

새로운 효소는 어떻게 결합을 끊었나

그 결과 실록산의 규소-탄소 결합을 효과적으로 분해하여 실라놀을 생성하는 향상된 효소가 탄생했다. 그러나 효소는 완고한 규소-탄소 결합을 직접 깨뜨리지 않고 우회를 사용하는 것으로 나타났다. 반응 메커니즘을 분석한 결과다. 생체촉매는 두 개의 산화 단계에서 메틸기의 두 개의 탄소-수소 결합을 탄소-산소 이중 결합으로 대체한다. 이로 인해 인접한 실리콘-탄소 결합이 더 쉽게 끊어진다.

이에 따라서 연구진은 최초로 인공 실록산 분해를 위한 천연 촉매를 개발했다. 순수한 화학적 분해 공정과 달리 이 공정은 온화한 조건에서도 작동한다. 박테리아 기원으로 인해 최적화된 효소는 박테리아에서도 쉽게 생산될 수 있다. Arnold는 “자연은 놀라운 화학자이며 이제 자연의 레퍼토리에는 이전에 살아있는 유기체의 공격을 피할 수 있다고 생각되었던 실록산의 결합을 끊는 것이 포함된다”고 말했다.

▲ 실험실에서 개발된 규소-탄소 결합을 끊는 효소에 대한 예술적 표현. © Caltech / Dow

효소는 폐수에서 실록산을 분해할 수 있다.

연구자들은 새로 개발된 효소가 몇 년 내에 실록산을 더 큰 규모로 생분해하는 데 사용될 수 있기를 바라고 있다. 어놀드는 “예를 들어, 실험실에서 개발된 효소의 더욱 향상된 버전을 사용하여 폐수의 실록산 오염을 처리할 수 있다”며 "자연 유기체가 유사한 반응을 촉진하기 위해 실록산이 풍부한 환경에서 진화할 수도 있다"고 말했다.

이러한 희망은 PET를 분해할 수 있는 박테리아가 플라스틱이 포함된 환경에 서식한다는 관찰에 근거한다. 이로 인해 플라스틱 분해 효소관련 연구 동향이 생겨났다. 실록산에서도 비슷한 일이 일어날 수 있으며 실록산을 분해하는 효과적인 효소를 생산할 수 있다고 어놀드는 말했다. Fulton은 “우리는 이번 연구가 실록산 화합물의 분해에 대한 추가 연구에 영감을 주기를 희망한다”고 덧붙였다.
(Science, 2024; doi: 10.1126/science.adi5554)
출처: California Institute of Technology

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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