바이오인

핵심내용

미생물로 플라스틱 만들고, 폐플라스틱 분해도 가능해진다

상세내용

연구개요

■비식용 바이오매스로부터 방향족 폴리에스테르를 생산할 수 있는 친환경 원천기술 개발

 1. 연구배경

  ㅇ 방향족 폴리에스테르는 강도 및 열안정성이 우수하여 병, 식료품 포장재 등에 다양하게 사용되고 있는 중요한 원료이다. 대표적인 방향족 폴리에스테르로는 PET(폴리에틸렌테레프탈레이트: PET병 원료)가 있다.

  ㅇ 현재 방향족 폴리에스테르는 촉매 등을 사용하는 복잡한 공정을 통해 생산되기 때문에 비효율적일 뿐만 아니라 친환경적이지 못한 단점을 가지고 있었다. 따라서 환경에 부담을 주지 않는 지속가능한 친환경 생산 시스템 개발이 필요로 하였다.

 2. 연구내용

  ㅇ 본 연구진은 비식용 바이오매스를 이용한 환경 친화적 방향족 폴리에스테르 생산 기술을 개발하기 위하여, 미생물 유래 고분자인 폴리하이드록시알카노에이트의 생합성 시스템을 기반으로, 고분자 생산에 핵심이 되는 코에이-전이효소(CoA-transferase)*의 기존에 밝혀지지 않은 신규 활성을 규명하였고 이를 활용하여서 다양한 종류의 방향족 폴리에스테르를 생산하였다.

    * 코에이-전이효소 : CoA(coenzyme A)를 전달하는 반응에 관여하는 효소

  ㅇ 이 과정에서 본 연구진은 외래 대사경로의 도입과 조작만으로는 방향족 폴리에스테르의 생산이 효율적이지 않았기 때문에 시스템 수준의 대사흐름 증대기술을 필요로 하였다. 이에 컴퓨터 기반 인실리코 시뮬레이션*을 이용한 대장균 균주의 대사흐름분석 기법을 활용하여 시스템 수준의 대사회로 재설계를 진행하였다.

     * 인실리코 시뮬레이션 : 생체 내에서 일어나는 생화학 반응들을 컴퓨터로 모사 가능한 가상세포를 이용하여서 결과를 예측하는 기법을 의미한다.

  ㅇ 시스템 대사공학과 합성생물학 기술을 접목시킨 전략을 사용하여 비천연 고분자인 방향족 폴리에스테르를 효율적으로 생산하는데 최초로 성공하였다. 해당 시스템을 통해 다양한 종류의 방향족 폴리에스테르의 생합성에도 성공함으로써, 이번 연구에서 개발된 환경친화적 생합성 시스템의 기술적 우수성을 증명하였다.

■우수한 PET(폴리에틸렌테레프탈레이트) 분해능을 가지는 효소의 3차 구조 및 분해 기작 규명

 1. 연구배경

  ㅇ PET(폴리에틸렌테레프탈레이트)는 PET병의 원료로 사용되는 등 일상 생활에서 많이 사용되는 중요한 원료이지만 자연 분해 속도가 매우 느려 환경 오염의 주요 원인으로 지목되고 있다. 특히 기존 PET는 화학적 방법으로 생산되고 사용 후 소각, 매립 되거나 화학적 방법을 통해 재활용 되어 생산과 처분에 추가적 환경오염을 발생시킨다.

  ㅇ 이에 미생물을 기반으로 한 친환경적 분해 연구가 많은 연구진에 의해 진행되었지만 기존의 미생물 기반 PET 분해는 알파/베타 하이드로레이즈 기반 PET에 국한 되지 않은 에스터 결합 분해 관련 효소로 이루어졌기 때문에 PET 분해 활성이 매우 낮아 시간 및 비용적으로 비효율적인 단점을 가지고 있다.

  ㅇ 따라서 PET에 특이적으로 우수한 분해능을 갖는 효소 개발 및 관련 원리 규명이 필요로 하다. 이에 2016년 처음 발견되어 Science 지에 게재된 Ideonella sakaiensis PETase의 우수 분해능에 주목하여 연구를 시작하였다.

 2. 연구내용

  ㅇ 본 연구진은 기존 하이드로레이즈 효소 대비 PET 특이 효소의 우수 분해능 원인 규명을 위하여 2016년 Science논문에서 처음 소개된  Ideonella sakaiensis의 PETase 효소의 단백질 결정 구조를 최초로 밝혔고, 이를 기반으로 신규 PETase 효소를 규정하고 PET에 특이적인 분해 기작을 규명하였다.

  ㅇ 이 과정에서 본 연구진은 PETase와 PET와 유사한 2HE-(MHET)4의 도킹 시뮬레이션*을 통해 PETase가 긴 기질인 폴리머와의 결합에 안정적인 구조를 가지고 있음을 밝혔다. 또한 특정 부위 돌연변이 유도*를 통한 효소 엔지니어링*을 진행하여 PET 분해 기작에 주요한 역할을 하는 잔기를 밝혔고, Ideonella sakaiensis 야생형 PET 분해 효소보다 활성이 우수한 PETase를 개발에 성공하였다.
     * 도킹 시뮬레이션: 두 분자간의 상호 작용을 모델링하기 위해 사용되는 컴퓨터 시뮬레이션 기술의 일환

     * 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

  ㅇ Ideonella sakaiensis PETase의 단백질 결정 구조를 최초로 밝힘과 동시에 도킹 시뮬레이션과 단백질 엔지니어링을 통하여 PET분해에 우수한 효소 원리 규명 및 새로운 활성 증가 변이 효소 최초 개발에 성공하였다.

  ㅇ 본 연구진은 이번 연구를 통해 규명된 PETase 구조와 PET 분해 기작을 기반으로 미생물 기반 PET 분해 연구에 활용하여 고효율 친환경 PET 분해 연구를 지속하고 있으며, 이는 더 나아가 바이오 기반 친환경 플라스틱 재활용에 중요한 역할을 할 것으로 기대되고 있다.

연구이야기

■비식용 바이오매스로부터 방향족 폴리에스테르를 생산할 수 있는 친환경 원천기술 개발

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

현재 방향족 폴리에스테르는 촉매 등을 사용하는 복잡한 공정을 통해 생산되기 때문에 비효율적일 뿐만 아니라 친환경적이지 못한 단점을 가지고 있다. 또한, 전 세계적으로 화석 연료 및 그 기반 화합물들의 소비량은 급증하고 있고, 이는 기후 변화, 환경 문제, 화석 연료의 고갈 등의 심각한 문제를 야기하고 있는 실정이다. 따라서 환경에 부담을 주지 않는 지속가능한 친환경 방향족 폴리에스테르 생산 시스템 개발이 필요 하였다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

강도 및 열안정성이 우수하여 병, 식료품 포장제 등에 다양하게 사용되고 있는 중요한 플라스틱인 방향족 폴리에스테르를 바이오매스로부터 생산하는 기술은 지금까지 불가능 하였지만, 바이오 플라스틱 산업의 확장을 위해서는 필수적인 기술임을 인지하고 연구를 시작하였다. 생물학적으로 고분자를 생산하기 위해 핵심이 되는 효소인 코에이-전이효소를 스크리닝하여서 기존에 밝혀지지 않은 신규 활성들을 규명하였다. 먼저 이렇게 규명된 효소들을 활용하여서 방향족 고분자를 생산할 수 있는 외래 대사경로를 도입하였으나, 이러한 외래 대사경로의 도입만으로는 방향족 폴리에스테르의 생산이 효율적이지 않았기 때문에 시스템 수준의 대사흐름 증대 기술을 사용하였다. 이러한 과정을 통해 최종적으로 방향족 폴리에스테르를 효율적으로 생산 가능한 환경 친화적 시스템을 개발할 수 있었다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

본 연구팀은 기존의 연구들을 통해 다양한 고분자들을 만드는 데 성공하였으나 기존의 시스템으로 방향족 폴리에스테르를 생산하는 데는 한계가 있었다. 처음에 고분자 생합성에 핵심이 되는 효소를 스크리닝 하는데 어려움이 있었으나, 노력 끝에 핵심 효소의 새로운 활성들을 찾고 이를 적용해서 다양한 고분자를 생합성하는데 까지 성공할 수 있었다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

대장균으로부터 방향족 폴리에스테르의 생산은 기존에 보고되지 않은 세계 최초의 기술이다. 또한, 이번 연구 성과의 핵심은 해당 시스템을 이용해 다양한 폴리에스테르의 생합성이 가능하다는 점이다. 이는 바이오 플라스틱 산업의 확장에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대한다.

 
□ 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?

이번 연구를 통해 효율적으로 다양한 방향족 폴리에스테르의 생산이 가능해졌기 때문에, 이를 통해 바이오 플라스틱 산업의 확장에 기여하고 싶다.

■우수한 PET(폴리에틸렌테레프탈레이트) 분해능을 가지는 효소의 3차 구조 및 분해 기작 규명

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

플라스틱, 특히 PET(폴리에틸렌테레프탈산)는 강도 및 경량성, 열안정성 등으로 전 세계적으로 많이 사용되는 원료이다. 하지만 플라스틱의 장점이기도 한 난분해성은 사용 후 처리에 있어 주요한 단점이 되어 심각한 환경 오염을 야기하고 있다. 지구촌 환경문제 해결의 일환으로 PET의 효과적인 분해 및 재활용을 위해 각 국의 연구진들이 연구를 진행하고 있지만 화학적인 분해는 부가적인 오염을 야기하고, 미생물을 이용한 분해 역시 활성이 높은 효소가 밝혀지지 않아 PET 분해 및 처리가 매우 비효율적이다. 따라서 PET를 고효율로 분해할 수 있는 효소를 개발하는 것이 필수적이다. 이에 본 연구진은 2016년 Science 저널에서 발표된 Ideonella sakaiensis 균이 가진 특이적으로 높은 분해능을 갖는 신규 효소(PETase)에 주목하였다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

전 세계의 관심사인 환경 오염 해결의 일환으로 바이오 기반 친환경적인 플라스틱 분해 및 재활용의 필요성을 인식하고 효과적인 분해 방법을 강구하던 중 2016년 Science 저널에서 Ideonella sakaiensis 균이 가진 특이적으로 높은 PET 분해능을 갖는 신규 효소 (PETase)가 발표되었다. 본 연구진은 PETase의 특이적 우수 PET 분해능이 PETase의 구조에 있다고 예측, 최초로 PETase의 단백질 결정 구조를 밝혔다. 이를 기반으로 PET분해기작에 있어 중요한 잔기들을 각 잔기에 변이를 주어 활성 테스트를 진행함으로써 밝혔고, 활성 테스트를 기반으로 PET분해의 특이 경향성을 인식하였다. 이를 기반으로 PET에 특이적인 분해 기작을 규명하고 아미노산 서열을 바탕으로 우수한 PET분해능이 기대되는 효소들을 새롭게 제시하였다. 또한 PETase와 PET를 대체할 수 있는 유사 기질간의 도킹 시뮬레이션을 진행하여 PET에 특이적인 PETase 분해능의 원리를 구조적 특징으로 재입증하였고 이를 기반으로 효소 엔지니어링을 진행하여 야생형 PETase보다 우수한 변이 효소를 개발하였다. 

 
□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

본 연구팀은 PETase 효소와 PET 사이의 기작을 규명하기 위해 도킹 시뮬레이션을 진행하였지만 단량체의 연속으로 이루어진 PET를 대체할 수 있는 긴 길이의 기질을 기존의 방법인 플랙서블 도킹(flexible docking)으로 진행하는데 한계가 있었다. 이에 기존 도킹 방법과 공유 결합 도킹(covalent docking) 방법을 접목한 새로운 접근으로 보다 더 긴 기질로 PETase와 도킹 시뮬레이션을 진행하는 데 성공했고, 이는 PETase가 기존의 다른 알파/베타 하이드로레이즈에 비해 PET에 더 특이적인 활성을 갖는 원인을 구조적으로 설명해주었다. 더 나아가 이를 기반으로 효소 엔지니어링을 진행하여 야생형 PETase효소보다 더 우수한 활성을 갖는 변이 효소를 개발할 수 있었다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

본 연구는 Ideonella sakaiensis PETase의 단백질 결정 구조를 최초로 밝힘과 동시에 도킹 시뮬레이션과 단백질 엔지니어링을 통하여 우수한 PET 분해능의 원인을 규명하고 PET 분해능이 향상된 변이 효소 개발까지 성공하였다. 이는 미생물을 활용한 친환경 플라스틱 재활용 산업이 가속화 될 수 있다는 점에서 매우 중요한 의의가 있다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?

이번 연구를 통해 규명한 PETase의 구조적 특이 기작과 새로 개발한 분해능 향상 신규 변이 효소 연구를 기반으로 PETase 분해 향상 변이 효소를 지속하고 있으며, 더 나아가 미생물 기반 PET 분해 연구에 활용하여 고효율 친환경 PET 분해 연구를 수행하고 있다. 향후 미생물 기반 친환경적 플라스틱 분해 및 재합성을 통한 플라스틱 재활용 시스템을 구축하여 전세계적 중요 안건인 환경 오염 해결에 이바지 하고 싶다.

...................(계속)

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