친환경적 플라스틱 재활용 공정으로 발전 기대

경북대 생명과학부 김경진 교수팀과 한국과학기술원(KAIST) 생명화학공학과 이상엽 교수팀은 공동 연구를 통해 PET(합성 플라스틱)을 분해하는 세균 효소(PETase)의 3차원 구조를 규명했다.

이번 연구 성과는 기존 플라스틱을 재활용하여 친환경 플라스틱을 생산할 수 있는 가능성을 제시하였다는 점에서 의미가 있다.

연구팀은 기존 알려진 효소보다 월등한 PET 분해능력을 가지는 효소(PETase)의 구조를 밝히고, 이 효소의 우수한 PET 분해 원인 규명 및 PET 분해 활성이 증가된 변이 효소 개발까지 성공하였다.

연구결과는 국제 학술지인 「네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)」1월 26일자 온라인판에 게재되었다.

PET는 합성 플라스틱으로 자연 분해가 어려워 소각, 매립하기 때문에, 이 과정에서 여러 환경 문제를 야기한다. 따라서 친환경적인 PET 분해를 위해 미생물이 가진 효소를 이용하기 위한 연구개발이 활발하다.
기존의 미생물 기반 PET 분해는 시간？비용적인 측면에서 비효율적이었다. 이를 극복하기 위해 PET를 고효율로 분해할 수 있는 효소를 개발해 왔다. 지난 2016년 일본 연구진은 사이언스 저널에 세균 ‘이데오넬라 사카이엔시스(Ideonella sakaiensis)’에서 높은 PET 분해 능력을 갖는 신규 효소(PETase)를 발표한 바 있다.

연구팀은 이 신규 효소(PETase)가 기존 알려진 효소 대비 높은 PET 분해능을 가지는 원인을 규명하고, 이를 활용하여 고효율의 효소 개발이 가능하도록 이데오넬라 사카이엔시스의 PETase 효소의 단백질 결정 구조를 밝혔다.
이 과정에서 컴퓨터 기반 도킹 시뮬레이션*을 통해 PETase 효소와 PET를 모사하는 화합물과의 도킹에 성공하여 결합 구조를 제시할 수 있었다.
    * 두 분자간의 상호 작용을 모델링하기 위해 사용되는 컴퓨터 시뮬레이션 기술의 일환

또한 특정 부위 돌연변이 유도*를 통해 PET 분해 기작에 중요한 역할을 하는 잔기(residue)를 밝히고, 효소 엔지니어링**을 진행하여 PET 분해 활성이 증가된 PETase 변이 효소 개발까지 성공하였다.
    * 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

이번 연구는 미생물을 활용한 친환경 플라스틱 재활용 산업을 가속화할 수 있다는 점에서 지속가능한 플라스틱 산업에 중요한 의미를 가진다.

이 연구는 과학기술정보통신부가 지원하는 기후변화대응기술개발사업의 바이오리파이너리를 위한 시스템대사공학 원천기술개발 과제의 연구를 통해 추진되었다.