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‘플라스틱 환경지킴이’가 될 꿀벌부채명나방

- 류충민 박사팀, 꿀벌부채명나방 장에서 플라스틱 산화효소를 발굴하고 최초로 산화기전 규명

- 플라스틱 폐기물의 친환경적 생분해 기술 개발에 기여할 것으로 기대

□ 플라스틱은 인류의 대표적인 발명품이지만 동시에 심각한 환경오염의 원인이 되고 있다. 최근 전 세계는 플라스틱 오염 종식 국제협약  체결을 위해 총 5차례나 협상위원회를 열었지만 플라스틱 생산규제 합의에는 이르지 못했다. 하지만 이는 전 세계가 얼마나 플라스틱 오염 방지를 위해 노력하는지 보여주는 단적인 예다.

□ 이런 가운데 국내 연구진이 곤충 유래 효소를 활용한 플라스틱 생분해 기술을 개발하여 플라스틱 폐기물의 친환경 처리방안을 새롭게 제시하며 주목받고 있다.

□ 한국생명공학연구원(원장 김장성, 이하 생명연) 감염병연구센터 류충민 박사 연구팀은 꿀벌부채명나방 장에서 플라스틱을 산화하는 효소를 발굴하고 AI 기반 시뮬레이션을 통하여 플라스틱 산화기전을 최초로 규명하는데 성공했다고 밝혔다.

○ 꿀벌부채명나방은 벌집의 주성분인 왁스를 먹이로 삼는 곤충으로왁스와 플라스틱의 구조적 유사성으로 인해 플라스틱 분해 잠재력을 가진 곤충으로 주목 받아왔다.

○ 특히 이번 연구결과는 폴리에틸렌과 같은 탄화수소 기반 난분해성 플라스틱 폐기물의 친환경 처리기술 개발에 기여할 것으로 기대된다.

□ 연구팀은 2019년에 꿀벌부채명나방이 장내 미생물에 의존하지 않고 자체적으로 폴리에틸렌을 산화할 수 있는 효소 사이토크롬 P450을 갖고 있음을 처음으로 밝혔다.

○ 사이토크롬 P450은 유기화합물에 산소를 도입하는 산화 반응을 촉매하는 효소로 생체 내에서는 해독, 스테로이드 합성, 호르몬 대사와 같은 다양한 생리적 기능을 수행하는 효소로 알려져 있다.

□  연구팀은 이번 연구에서 꿀벌부채명나방 유래 사이토크롬 P450을 대량배양이 가능한 효모와 곤충 세포의 이종 발현에 성공하였고, 폴리에틸렌 산화효소를 탐색한 결과 총 2종의 효소가 플라스틱을 산화할 수 있음을 밝혀냈다.

○ 더불어 이종 발현한 효모의 배양 조건을 확립하여 곤충 유래 폴리에틸렌 산화효소의 대량 생산을 위한 기틀을 마련하였다.

□ AI 기반 시뮬레이션으로 발굴한 효소의 폴리에틸렌 플라스틱 결합 가능성을 예측하여 결합에 중요한 잔기를 성공적으로 찾아내어 효소의 구조적 특성과 결합기전에 대한 이해를 높였다.

○ 추가적으로 특정 유전자나 단백질에 무작위 돌연변이를 유도한 후 최적의 기능을 갖춘 변이를 얻는 방법으로 기존 효소보다 산화 효율이 높은 효소도 확보하였다.

□ 연구책임자인 류충민 박사는 “이번 연구로 곤충 유래 효소를 이용한 폐플라스틱 처리의 새로운 가능성을 열었다는 점에서 의미가 있다”며, “AI기반 접근법을 통해 플라스틱 분해 효소의 작용기전을 더욱 명확히 하여 효소를 활용한 폐플라스틱 처리의 실용화 가능성을 최초로 보여주었다”고 밝혔다.

□ 이번 연구는 미생물학 분야의 세계적인 저널인 Journal of Hazardous Materials (IF 12.2) 10월 23일자 온라인 판에 게재되었으며, (논문명 : Enzymatic oxidation of polyethylene by Galleria mellonella intestinal cytochrome P450s / 교신저자 : 류충민 박사 / 공동 1저자 : 손진수 박사 및 이수현 연구원)농촌진흥청 농업미생물사업단, 한국생명공학연구원 주요사업의 지원으로 수행되었다.

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 <그림 설명>


그림 1. 꿀벌부채명나방 장내 폴리에틸렌 산화 확인
 (A) 섭식 시간 별 꿀벌부채명나방 장 내 폴리에틸렌 분포
 (B) 장 각부위에서 확보한 폴리에틸렌의 산화 활성 푸리에 변환 적외선 분광법 분석


그림 2. 꿀벌부채명나방 유래 효소에 의한 폴리에틸렌 산화
 (A) 폴리에틸렌 산화효소에의한 폴리에틸렌 산화 푸리에 변환 적외선 분광법 분석
 (B) 꿀벌부채명나방 유래 폴리에틸렌 산화효소에 의한 폴리에틸렌 대사체 가스크로마토그래피 질량분석기 분석


그림 3. 컴퓨터 시뮬레이션 기반 꿀벌부채명나방 효소와 폴리에틸렌 간의 결합 부위 예측
 (A) 알파폴드3 기반 꿀벌부채명나방 유래 폴리에틸렌 산화효소인 CYP6B2-GP04 구조 예측
 (B) 컴퓨터 시뮬레이션 기반 꿀벌부채명나방 유래 CYP6B2-GP04와 폴리에틸렌 간의 결합에너지 예측
 (C) 컴퓨터 시뮬레이션 기반 예측된 CYP6B2-GP04의 중요잔기의 돌연변이에 따른 폴리에틸렌 산화활성 변화 확인


그림 4. 방향적 진화를 통한 향상된 폴리에틸렌 산화활성을 지닌 돌연변이체 확보
 (A) 폴리에틸렌 산화효소 돌연변이체에의한 폴리에틸렌 산화 푸리에 변환 적외선 분광법 분석
 (B) 적외선 분광법 기반 폴리에틸렌에 형성된 산화 정량


그림 5. 꿀벌부채명나방 장 유래 폴리에틸렌 산화효소 발굴 및 방향적 진화를 통한 폴리에틸렌 산화활성 증대 연구의 개요

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