시스템 대사공학을 이용해 고효율 PET 대체 플라스틱 단량체 생산 균주 개발하여 기존 화석 연료 기반 플라스틱을 대체할 수 있는 친환경적인 5종의 유사 방향족 폴리에스터 단량체의 다양한 생산 전략 제시

현재, 전 세계는 플라스틱 폐기물로 인한 환경 문제로 인해 큰 골머리를 앓고 있다. 이를 해결하기 위한 대안으로, 생분해성을 가진 플라스틱, 특히, 페트병 등에 널리 사용되는 PET를 대체할 수 있는 생분해성 플라스틱이 많은 관심을 받고 있다. 유사 방향족 다이카복실산은 고분자로 합성 시 PET보다 나은 물성 및 높은 생분해성을 가지고 있어 친환경적인 고분자 단량체*로서 주목받고 있다. 화학적인 방법을 통한 유사 방향족 다이카복실산 생산은 낮은 수율과 선택성, 복잡한 반응 조건과 유해 폐기물 생성이라는 문제점을 지니고 있기에, 이를 기반으로 한 대체 플라스틱에 대한 연구가 더딘 실정이다.

*단량체: 고분자를 만드는 재료로 단량체를 서로 연결해 고분자를 합성함

이를 해결하고자, 본 연구에서는 시스템 대사공학을 활용하여 아미노산 생산에 주로 사용되는 세균인 코리네박테리움에서 2-피론-4,6-다이카복실산과 4종의 피리딘 다이카복실산 (2,3-, 2,4-, 2,5-, 2,6-피리딘 다이카복실산)을 포함한 5종의 유사 방향족 다이카복실산을 고효율로 생산하는 미생물 균주를 개발했다. 대사공학 기법을 통해 유전자를 조작, PDCA의 전구체인 프로토카테츄산의 대사 흐름을 강화하고 전구체 손실을 방지하는 플랫폼 미생물 균주가 구축되었다. 또한, 전사체 분석을 통해 PDCA 생산을 강화할 수 있는 유전자 조작 타겟을 발굴하고, 발현량 및 배양 조건 최적화를 통해 76.17 g/L의 2-피론-4,6-다이카복실산을 생산하였다.또한, 3종의 피리딘 다이카복실산 생산 대사 경로를 신규 발굴 혹은 구축하여 2.79 g/L의 2,3-피리딘 다이카복실산, 0.49 g/L의 2,4-피리딘 다이카복실산, 1.42 g/L의 2,5-피리딘 다이카복실산, 15.01 g/L의 2,6-피리딘 다이카복실산을 생산하는 데 성공했다. 결론적으로, 2,4-, 2,5-, 2,6-피리딘 다이카복실산을 세계 최고 농도로 생산하는 데 성공하였다. 특히 2,4-, 2,5-피리딘 다이카복실산은 기존에 극미량 (mg/L) 생산되던 것을 g/L 규모의 생산까지 달성하였다.

이번 연구는 미생물의 대사 경로를 정밀하게 조절하여 기존에 화학적인 공정으로는 생산에 어려움을 겪는 플라스틱 원료 물질 및 대체 플라스틱의 생산 스펙트럼을 넓히고, 그 효율성을 극대화한다. 더 나아가, 미생물 기반의 바이오 단량체 산업의 경쟁력을 강화하여, 앞으로 석유 화학 기반의 화학산업을 대체하는 데 일조할 것이라 기대된다. 해당 연구 결과는 국제 학술지인 `미국 국립과학원 회보(PNAS)'에 10월 30일 자 게재됐다.