대장균을 활용하여 플라스틱 원료(테레프탈산) 생합성 성공 – 생물학적 방법으로 산업 화학물질 대량생산 가능성 열어 –

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대장균을 활용하여 플라스틱 원료(테레프탈산) 생합성 성공 – 생물학적 방법으로 산업 화학물질 대량생산 가능성 열어 –

미래창조과학부(장관 최양희) 글로벌프론티어사업(지능형바이오시스템설계및합성연구단)을 수행한 한국과학기술원(KAIST) 이상엽 교수팀은세계 최초로 대장균을 이용하여 폴리에스터 섬유 등의 주원료로 사용되는 테레프탈산을 생합성하는 데 성공하였다고 말했다.

테레프탈산은 폴리에스터 섬유, PET병 등의 주원료로 사용되며 각종 병류, 전기/전자용품 등에 응용되는 주요 화합물이다.

생합성은 생물체에서 세포의 작용으로 유기물질을 합성하는 일. 이 성질을 이용하여 실험적 또는 공업적으로 여러 물질의 선택적 합성이 가능하다.

현재 테레프탈산은 산업적으로 화학공정을 통해 제조(생산 효율 95mol%)되고 있으나 이러한 공정은 에너지 소모가 많고 유독성 촉매를 사용함으로써 환경 친화적이지 못한 단점이 있다.

이번에 개발된 대장균을 통한 테레프탈산 생산은 친환경적 방법으로 현 생산효율 이상(생산 효율 97mol%)의 생산이 가능하다.

현재 산업계 테레프탈산 생산 공정은 주로 테레프탈산의 주 원재료이며 폴리에스테르 등 합성섬유, PET(PET병 원료) 등 합성수지의 원료인 파라자일렌를 산화 화학공정을 통해 제조(95mol% 이상의 전환 효율)하며 유독성 금속 촉매(망간, 코발트 등) 사용 및 고온 고압의 환원반응을 통해 정제한다.

이번 연구결과는 섬유에서 PET병, 자동차 부품까지 폭넓게 사용되는 테레프탈산을 미생물을 활용한 친환경적인 방법으로 대량생산할 수 있다는 점에서 큰 의미를 갖는다.

이상엽 교수(한국과학기술원) 연구팀의 연구결과는 국제적인 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 온라인판 5월 31일자에 게재 되었다.

Biotransformation of p-xylene into terephthalic acid by engineered Escherichia coli 란 논문명과  이상엽 교수 (교신저자, 한국과학기술원), Zi Wei Luo (제1저자, 한국과학기술원) 로 게재 되었다.

논문의 주요 내용은 다음과 같다고 말했다.

1. 연구의 필요성

화학물질은 우리 일상생활의 모든 부분에 관여하며 세계경제에 중요한 역할을 한다. 석유화학산업이 높은 생산력을 바탕으로 다양하고 유용한 제품을 제공함에도 불구하고 재생가능하지 않은 석유에 의존하며 유독물질 및 발암 물질인 촉매 등의 사용으로 환경에 악영향을 끼치는 생산 공정을 이용하기 때문에 본질적으로 지속 불가능하다.

하지만 이러한 화학공정과는 대조적으로, 생체촉매 기술의 경우 망간, 코발트와 같은 유독성 금속 촉매 등을 사용할 필요가 없다는 장점 때문에 친환경적인 대안으로서 많은 관심을 받고 있다.

2. 연구 내용

연구팀은 파라자일렌을 테레프탈산으로 전환시킬 수 있는 야생형 균주에 관한 초기 연구를 기반으로 하여 파라자일렌을 테레프탈산으로 생체전환하기 위한 합성 대사경로를 설계했다.

야생형 균주란 돌연변이가 아닌 자연 집단 중에서 가장 높은 빈도로 관찰되는 유전형을 가진 세포를 말하며, 합성 대사경로란 세포내에서 일어나는 화학 반응을 인위적으로 조작하여 만들어진 대사 경로를 말한다.

새로 제작 된 경로를 통해 파라자일렌으로부터 테레프탈산을 생산하는 데에는 성공하였으나, 부산물이 축적되는 문제점(생산효율 저하)을 확인 하고 이를 해결하기 위해 대사 경로내에 인위적으로 도입된 새로운 유전자의 발현 정도를 다르게 조절 하여 가장 효율적으로 생산 할 수 있는 시스템을 개발 하였다.

또한, 연구팀은 발효액을 유기층과 세포층으로 나누는 이상발효 시스템의 최적화로, 세계 최초로 유기층에 공급되는 8.8 g의 파라자일렌으로 부터 13.3 g의 테레프탈산을 유가식 배양을 통해 생산하는데 성공했다. 파라자일렌으로부터 테레프탈산의 전환 수율은 97mol%로, 화학공정이 파라자일렌으로부터 95mol%의 전환 수율을 가지는 것과 비교 할 때 매우 높은 생산 수율을 달성하였다.

이상발효란 유기화합물의 첨가로 상 분리를 시켜 유가식 배양을 진행 하는 과정이며(유기화합물은 기름 같은 성질이 있어 물인 배양액과 섞이지 않는 특성이 있음), 유가식배양은 배양액을 간헐적으로 공급하는 배양법(영양분의 농도를 인위적으로 조절)으로, 세포나 특정 대사산물 생산을 극대화하기 위해 사용된다.

전환 수율은 원자재에 어떤 과정을 가하여 원하는 물질을 얻을 때, 실지로 얻은 분량과 이론상으로 기대했던 분량과의 비율이다.

3. 연구 성과

생물학기반 테레프탈산 생산 기술은 망간, 납사(naphtha), 제올라이트, 고체 인산과 같은 중금속 촉매 또는 독성 화학 물질을 사용하지 않고 생산이 가능하며, 제거 가능한 부산물 형성 (균주 및 공정 최적화를 통해 100 % 전환 효율 달성도 가능할 것으로 전망됨) 및 100 % 환경 친화적인 기술이라는 점에서 다양한 이점을 제공한다.

이 연구는 대사공학을 이용하여 조작된 대장균의 발효를 통해 파라자일렌으로 부터 테레프탈산을 생산한 미생물 생명공학응용의 성공적인 사례이다.

현재 실험실 내의 대장균은 병원균이 아닌 무해한 Safey Level 1에 해당한다.

이상엽 교수는“이번 연구는 대장균을 이용해 폴리에스터 섬유, PET제조 등에 사용되는 테레프탈산을 생합성 함에 따라 생물학적 방법을 통한 산업 화학물질의 대량생산 가능성을 보여 주었고, 이는 탄화수소를 화학공정 없이 친환경적으로 전환할 수 있는 획기적 돌파구가 될 것이라는 점에서 큰 의미를 가진다”고 말했다.

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