(3분 50초 읽기)
- 앞으로 10년 동안 플라스틱 생산량 40% 증가할 것으로 예측
- 일부 바이오 플라스틱은 기후친화적이지 않고 생분해되지 않으며 독성이 있을 수 있어
- 하나의 셀에 최대 80%의 폴리에스터, 다른 원료의 생물 생산도 가능

시아노박테리아로 만든 바이오 플라스틱
조작된 청록색 조류는 많은 양의 바이오 폴리에스터를 생산할 수 있다.

미생물 바이오 플라스틱 공장 :
광합성의 부산물로 시아노박테리아는 천연 폴리에스터를 생산할 수 있지만 지금까지 이 작업을 매우 효율적으로 수행하지는 못했다. 최근 연구자들은 조류에서 신진대사 ‘브레이크’를 발견하고 방출하는 데 성공했다. 이러한 방식으로 조작된 시아노박테리아는 이제 산업적으로 사용 가능한 양의 폴리히드록시부티레이트(Polyhydroxybutyrats)를 생산하지만 다른 염기성 물질도 생산할 수 있다. 

▲ 시아노박테리아 배양 : 일부는 바이오 플라스틱으로 만들 수 있는 폴리에스테르를 생산한다. © Karl Forchhammer / Universität Tübingen

연구원들은 오랫동안 우리의 플라스틱 문제에 대한 해결책을 찾고 있었다.
예측에 따르면 향후 10년 동안 전 세계 플라스틱 생산량이 40% 더 증가할 것이기 때문이다. 더 나은 재활용 방법 외에도 유기 폐기물, 옥수수 또는 사탕수수로 만든 것과 같은 보다 환경 친화적인 플라스틱에 대한 것도 있다. 그러나 일부 바이오 플라스틱은 기후 친화적이거나 생분해되지 않으며 독성이 있을 수도 있다.

폴리에스터 생산자로서의 시아노박테리아

Synechocystis 속의 시아노박테리아는 광합성을 위해 물, 이산화탄소, 햇빛만 필요하고 부산물로 폴리하이드록시부티레이트(PHB)를 생성하는 솔루션을 제공 할 수 있다.
저장재로 일부 미생물에 의해 자연적으로 생성되는 폴리에스터다. 기존 플라스틱보다 깨지기 쉽지만 다른 고분자 첨가로 바이오 플라스틱으로 활용이 가능하다.

장점으로 PHB로 만든 플라스틱은 환경에서 더 빨리 분해되고 유해 물질이 없다.
그러나 박테리아에 의해 생성되는 이 폴리에스테르의 양은 일반적으로 매우 적다.
튀빙겐 대학의 모리츠 코흐(Moritz Koch)가 이끄는 연구자들은 어떻게 시아노박테리아를 다량의 천연 물질을 생산하는 방식으로 조작할 수 있는지에 대해 연구했다.
그들은 청록색 조류가 플라스틱 생산자로서 엄청난 잠재력을 가질 수 있다고 가정한다.
"시아노박테리아는 어떤 의미에서 우리 지구의 숨겨진 챔피언이다"고 Koch는 강조한다.

▲ 시아노박테리아(그리스어 κυανός kyanós, "파란색", 따라서 청록색 박테리아)는 박테리아 도메인의 분할을 형성한다. 그들은 항상 존재하는 것은 아니지만 대부분의 산소 광합성 능력으로 다른 모든 박테리아와 구별된다. 과거에 그들은 Phycophyta (조류)에 포함되었고 Cyanophyceae (청록색 조류) 등급으로 분류됐다. 일부 시아노박테리아에는 다른 광합성 염료 외에 청색 피코시아닌이 포함돼 있으므로 그 색은 청록색이다. 그래서 그들은 "청록색 조류"라고 불렸고 이 이름은 모든 시아노박테리아에 사용됐다. 심지어 피코시아닌을 포함하지 않고 청록색이 아닌 것들에게도 사용되었다. 조류와 달리 시아노박테리아는 실제 세포핵이 없고 원핵 생물로서 "조류"로 알려진 진핵 생물과 관련이 없지만 박테리아에 속한다. 시아노박테리아는 가장 오래된 생명체 중 하나다. 빛의 입사 방향을 인지할 수 있다. 약 2000 종의 시아노박테리아가 명명되며 5 ~ 7 개의 순서로 나뉜다. 산소 광합성을하는 시아 노 박테리아는 옥시 포토 박테리아라고도 한다. Sericytochromatia와 Melainabacteria는 비 광합성 시아노박테리아로 간주된다.(편집자 주)

"브레이크"식별 및 완화

실험에서 과학자들은 먼저 “브레이크”역할을 하고 폴리히드록시부티레이트의 세포 생산을 일정량으로 제한하는 박테리아의 단백질을 확인했다. PirC라고 불리는 이 조절 단백질은 세포에 축적된 탄소가 해당 과정에 대신 사용되도록 한다.
그러나 이 “브레이크”가 출시되면 미생물 PHB의 생산이 크게 증가할 수 있다.
"이 기능을 제거하면 탄소 흐름이 방향 전환 될 수 있다"고 연구원들은 설명한다.

이를 달성하기 위해 연구자들은 먼저 해당 과정 산물이 과잉 공급된 것처럼 가장하여 PirC 단백질의 활성을 억제했다. 또한 시아노박테리아에서 폴리하이드록시부티레이트 대사에 관여하는 두 가지 유전자를 차단했다. 연구팀은 이러한 방식으로 변형된 균주를 다양한 배양 및 조명 조건에서 성장시키고 PHB 생산을 관찰했다.

하나의 셀에 최대 80%의 폴리에스터

실제로 박테리아에 의해 생성되는 폴리히드록시부티레이트의 양이 크게 증가했다.
“세포가 질소와 인이 부족한 배지에서 성장했을 때 세포 건조 중량 당 최대 63% PHB를 생성했다. 아세테이트를 첨가한 후, 그 함량은 건전지 중량 당 81%로 더 증가했다”고 연구원들은 설명한다. "이것은 시아노박테리아에서 지금까지 관찰된 것 중 가장 높은 PHB 값이다."

▲ 큰 흰색 입자는 폴리히드록시부티레이트로 채워져 있으며 변형된 시아노박테리아가 더 많이 생성함을 보여준다. © Moritz Koch / 튀빙겐 대학교

전자 현미경에서 천연 폴리에스터의 과잉 생산은 박테리아 세포 내부에 PHB 과립의 축적으로부터 분명하게 나타났다. 조작된 시아노박테리아의 경우, 그들은 세포의 많은 부분을 차지했다. Koch는 “우리는 진짜 플라스틱 박테리아를 만들었다”고 말했다.

다른 원료의 생물 생산도 가능

Koch의 동료 칼 포르쉬함머(Karl Forchhammer)는 “이 형태의 바이오 플라스틱의 산업적 관련성은 거의 과대평가될 수 없다. 장기적으로 연구팀은 이제 박테리아의 사용을 최적화하여 대규모로 사용할 수 있기를 바라고 있다. Koch는 "산업에 일단 설립되면 전체 플라스틱 생산이 혁명을 일으킬 수 있다"고 추측한다.

그러나 폴리에스테르 PHB는 이러한 미생물에 의해 생산될 수 있을 뿐만 아니라 화학 산업을위한 다른 플라스틱 전구체 및 원료도 미생물 조력자와 함께 생산될 수 있다.
“시아노박테리아에서 PirC 규제를 차단하는 것이 영향을 미칠 것이라고 가정하는 것은 타당하다. 석시네이트(Succinat), 말레이트(Malat), 지질 또는 지방산과 같은 다른 대사 산물의 생물학적 생산이 사용될 수 있다고 연구원들은 설명했다.
(Proceedings of the National Academy of Sciences, 2021, doi: 10.1073/pnas.2019988118)
출처: Eberhard Karls Universität Tübingen

[더사이언스플러스=문광주 기자]

[저작권자ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지]