One-step fermentative production of aromatic polyesters from glucose by metabolically engineered Escherichia coli strains
Nat. Commun., 9, 79.
 

Q. 선정된 연구성과의 내용과 의의는 무엇인가요?

저희 연구진은 현재 심각한 환경오염 문제를 야기하는 플라스틱 폐기물의 축적 문제를 해결하기 위하여 대체 가능한 친환경 플라스틱 생산 및 기존 플라스틱 폐기물을 분해하는데 관련된 연구를 수행하였습니다. 방향족 폴리에스테르는 강도 및 열안정성이 우수하여 병, 식료품 포장재 등에 다양하게 사용되고 있는 중요한 원료입니다. 대표적인 방향족 폴리에스테르로는 PET(폴리에틸렌테레프탈레이트: PET병 원료)가 있지만 기존의 방향족 폴리에스테르는 촉매 등을 사용하는 복잡한 공정을 통해 생산되기 때문에 비효율적일 뿐만 아니라 친환경적이지 못한 단점을 가지고 있습니다. 따라서 환경에 부담을 주지 않는 지속가능한 친환경 생산 시스템 개발이 필요합니다.

본 연구진은 비식용 바이오매스를 이용한 환경 친화적 방향족 폴리에스테르 생산 기술을 개발하기 위하여, 고분자 생산에 핵심이 되는 코에이-전이효소(CoA-transferase)의 기존에 밝혀지지 않은 신규 활성을 규명하였고 시스템 대사공학 전략을 통해 비천연 고분자인 방향족 폴리에스테르를 포도당으로부터 생산하는데 최초로 성공하였습니다. 이와 동시에 이미 만들어진 PET 폐기물을 분해하여 환경 오염을 해결하고자 하는 연구도 진행 되었습니다. 본 연구진은 PET를 기존 효소 대비 고효율로 분해할 수 있는 효소의 구조 및 기작 원리를 밝히고 고활성 변이 효소를 개발하였습니다. 이는 미생물을 활용한 친환경 플라스틱 재활용 산업이 가속화될 수 있다는 점에서 매우 중요한 의의가 있습니다.

그림1. 방향족 폴리에스터 생산 연구(이상엽 교수 제공)

그림2. PET 분해 연구(이상엽 교수 제공)

Q. 해당 연구분야의 최신 연구의 흐름은 어떤가요?

국제적 관심사인 ‘친환경 지속가능한 화학산업’으로의 재편에 있어 원유에 의존하는 화학산업을 바이오기반 화학산업으로 대체하기 위한 다양한 연구가 수행되고 있습니다. 특히 화학산업을 통한 생산이 중심을 이루었던 산업 플라스틱의 경우 분해가 잘 되지 않아 내구성이 좋다는 장점이 있었는데 이 장점이 오히려 현 시대에 단점이 되어 환경 오염의 주범이 되고 있습니다. 또한 기후변화에 대응하기 위하여 기존 화석원료에 의존하는 석유화학산업을 친환경 지속가능한 바이오화학산업으로 전환함에 있어 필수적인 미생물공장 개발에 대한 연구가 매우 활발하게 추진되고 있습니다. 플라스틱 분야만 보면 기존 플라스틱들을 바이오기반 플라스틱의 직접생산, 혹은 단량체의 바이오생산과 그후 화학공정을 통한 중합, 그리고 생분해성 플라스틱의 물성을 더욱 향상시켜 산업 플라스틱으로서 유용한 생분해성 플라스틱을 개발하고, 원활한 플라스틱 대체 공급을 가능하게 하는 대량 생산을 향한 연구 등이진행되고 있습니다. 플라스틱 분해 측면에서 보다 효율적이고 빠른 플라스틱 분해를 향해 효소 개발 및 플라스틱을 재활용하는 미생물 개발 등도 이루어지고 있습니다.

Q. 함께 진행한 연구진의 소개를 부탁합니다.

저희 KAIST 생명화학공학과 대사 및 생물분자공학 연구실 (MBEL) 식구들은 항상 같은 비전을 가지고 서로 함께 시너지를 내면서 연구하고 있습니다. 방향족 폴리에스터 생산 연구의 경우 본 연구로 박사학위를 받은 KAIST 양정은 박사의 주도적인 연구와 이화여자대학교 박시재 교수님의 자문으로 더욱 성공적인 연구를 수행할 수 있었습니다. PET 분해 연구의 경우 그 동안 여러 좋은 공동연구를 지속해 왔던 경북대학교 김경진 교수님팀과의 공동연구를 통해 가능했습니다. 본 논문의 공동 제 1저자인 경북대학교 주성준 학생과 KAIST 조인진 학생과, 그리고 서호균 학생의 적극적인 토의 및 연구 진행으로 좋은 결과가 이루어 질 수 있었습니다. 두 연구가 좋은 결실을 맺기까지 불철주야 연구한 본 논문에 참여한 학생들과 이화여자대학교 박시재 교수님, 경북대학교 김경진 교수님과 그 외 많은 도움을 주신 MBEL 식구들께도 이 자리를 빌어 감사 인사를 드립니다.

사진. MBEL 구성원들

Q. 현재 해당 연구분야의 한계는 무엇인지, 향후 연구방향과 계획이 궁금합니다.

해당 연구 분야의 가장 큰 한계는 랩 스케일에서 벗어난 산업화 수준의 스케일 확충입니다. 실질적으로 플라스틱 문제를 해결하기 위해서는 랩 차원 수준에서 벗어나야 합니다. 이를 위해서는 이번 연구에서 진행한 생분해성 PET 대체 플라스틱 생산 및 PET 분해의 효율 향상이 급선무 되어야 합니다. 이에 저희 연구진은 플라스틱의 생산 및 분해 최적화에 집중하여 연구를 지속하고 있습니다. 기존 연구에서 생산된 방향족 폴리에스터의 생산성을 증가 시키고 발효 공정 최적화를 통해 대량 생산이 가능한 수준의 플라스틱 생산 플랫폼을 구축 하는 것이 향후 연구방향의 핵심입니다. 하지만 pilot scale fermentor부터 구축하거나 심지어는 빌려쓰기도 쉽지 않은 어려움이 있습니다. 플라스틱 분해의 측면에서도 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 있습니다. 향후 미생물 기반 친환경적 플라스틱 분해 및 재합성을 통한 플라스틱 재활용 시스템을 구축하여 전세계적 중요 안건인 환경오염 해결에 이바지 하고 싶습니다.

Q. 평소 연구주제에 대한 선택과 아이디어를 어떻게 얻으시는지?

공학자로서 지구 환경을 보호하고 인간의 삶을 건강하고 풍요롭게 하는 데 기여하는 것을 연구의 목표로 다짐하였습니다. 이에 무엇이 인간에게 중요한 문제인지 일상생활에서 항상 탐구하고 연구하고 있습니다. 이번에 선정된 두 개의 연구 모두 지구가 당면한 화석원료 의존에 따른 기후변화문제, 플라스틱으로 인한 환경오염 문제 등의 해결에 기여하기 위해 시작 되었습니다. 그후는 문제를 해결하기 위한 전략들을 수립하고 테스트 과정을 거쳐 아이디어를 구체화 합니다. 평상시 크고 중요한 문제가 무엇인지를 고민하고, 또한 그로부터 우선적으로 해결해야 하는 중요한 문제들을 좁혀 나가면서 연구 주제 선택 및 아이디어 구상을 하게 됩니다.

Q. 과학자로서 연구 활동 중 아쉬운 점이나 우리의 연구 환경 개선에 관한 의견이 있으시다면?

현 시대의 과학과 공학, 특히 공학의 경우 실제 산업적으로 적용 가능한 실용적인 가치가 연구를 지속 및 발전시키는데 큰 지표가 됩니다. 우리나라의 바이오 산업의 경우 해외 산업 대비 괄목할 만한 성장 및 안정적이고 큰 시장이 아직 형성 되지 않아 새로운 연구를 도전하는데 제약이 따르는 경우가 많습니다. 바이오기반 산업체와 학계 연구 사이의 상호 보완적인 협력 연구가 활성화 되어 새롭게 떠오르는 문제를 빠르게 대처하고 해결하는 주체적인 연구 활동의 폭이 점차 확대되길 기대합니다.

Q. 같은 분야를 연구하려는 학생/후학들에게 도움이 되는 말씀을 부탁드립니다.

플라스틱 문제 이외에도 지구 온난화 문제, 지속가능한 자원 문제, 인구 고령화 문제 와 인구 증가로 인한 식량 부족 문제 등 우리는 해결해야할 많은 문제를 직면하고 있습니다. 지구환경을 보호하고 인류를 건강하고 행복하게 하는데 기여할 수 있는 문제해결과 기술개발을 할 수 있도록 자신만의 문제를 잘 정하시고 꾸준히 자신을 발전시켜 나가기를 바랍니다.

Q. 그 외 추가하고 싶은 말씀 또는 바람이 있다면?

“2018 국내 바이오분야 연구성과 Top5”라는 영광을 주시면서 저희 연구진의 연구에 관심을 가져 주셔서 감사드립니다. 저희 연구진은 대사공학을 통해 친환경 바이오화학산업의 핵심인 미생물 세포공장들을 개발하는 일반 전략들과 실제 유용 화학물질들을 효율적으로 생산하는 미생물들을 지속적으로 개발하여 향후 우리나라와 세계에 실제로 도움이 될 수 있도록 끊임없이 노력하겠습니다. 많은 응원 부탁드립니다. 감사합니다.

< 2018 국내 바이오 연구성과 Top 5's는 써모피셔 사이언티픽 솔루션스 유한회사와 아베스코주식회사의 후원으로 진행되었습니다. >

관련 사이트 : 2018 국내 바이오 성과ㆍ뉴스 Top 5's, 한빛사 등록 논문