미생물로부터 플라스틱의 주 원료인 테레프탈산 생산 시스템 개발

한국과학기술원 이상엽 특훈교수

Luo, Z.W. and Lee, S.Y. (2017) "Biotransformation of p-xylene into terephthalic acid by engineered Escherichia coli", Nature Comm. 8:15689, DOI: 10.1038/ncomms15689

1. 연구배경

현재 전 세계적으로 화석 연료 및 그 기반 화합물들의 소비량은 급증하고 있고, 이는 기후 변화, 환경 문제, 화석 연료의 고갈 등의 심각한 문제를 야기하고 있는 실정이다. 따라서 재활용 가능한 자원으로부터 보다 친환경적인 방법으로 연료 및 화합물들을 생산해야 한다는 필요성이 점점 부각되고 있다. 이에 연구팀은 화학적으로 생산 되는 플라스틱의 주원료인 PET를 친환경적인 방법으로 미생물을 통해 생산하기 위해 PET를 구성 하고 있는 테레프탈산을 생산 할 수 있는 시스템을 개발하고자 하였다.

2. 연구내용

폴리에틸렌 테레프탈레이트 (polyethylene terephthalate, PET)의 단량체인 테레프탈산을 파라자일렌으로 부터 생합성하는 데에 성공하였다. 이 생체촉매 시스템을 통해 기존의 화학적 공정에 비해 친환경적이고 효율적인 대안을 제시했다.

그림 1. 대장균을 이용한 파라자일렌으로부터 테레프탈산 바이오전환 모식도

○ 라자일렌을 테레프탈산으로 전환시킬 수 있는 야생형 균주에 관한 초기 연구를 기반으로 하여 파라자일렌을 테레프탈

    산으로 생체전환하기 위한 합성 대사경로를 설계했다. 연구팀은 Pseudomonas putida F1의 상부 자일렌 분해경로와

    Comamonas testosteroni T-2의 하부 파라톨루엔설폰산 경로를 통합하여 새로운 균주를 만드는 것에 성공하였다.

그림 2. 파라자일렌으로부터 테레프탈산 생산을 위한 대사회로 최적화

○ 새로 제작 된 경로를 통해 파라자일렌으로부터 테레프탈산을 생산하는 데에는 성공하였으나, 부산물이 축적되는 문제

    점(생산효율 저하)을 확인 하고 이를 해결하기 위해 대사 경로 내에 인위적으로 도입된 새로운 유전자의 발현 정도를

    다르게 조절 하여 가장 효율적으로 생산 할 수 있는 시스템을 개발 하였다.

그림 3. 이상발효를 통한 테레프탈산 생산

○ 파라자일렌을 첨가해 주었을 때 파라자일렌의 독성, 휘발성, 그리고 불용해성으로 실험의 장애 요소가 되었다. 이에 따

    라 기름과 같은 성질을 가진 유기산을 첨가하여 수성과 유기성 층으로 발효를 나누어 동시에 진행 한 결과, 세포를 독성

    물질인 파라자일렌으로 부터 보호할 수 있었다. 그 결과 파라자일렌을 대장균으로부터 분리시키면서도 지속적으로 발

    효를 진행할 수 있는 시스템을 제작 할 수 있었다.

○ 발효액을 유기층과 세포층으로 나누는 이상발효 시스템의 최적화로, 세계 최초로 유기층에 공급되는 8.8 g의 파라자일

    렌으로 부터 13.3 g의 테레프탈산을 유가식 배양을 통해 생산하는데 성공하였다. 파라자일렌으로부터 테레프탈산의 전

    환 수율은 97mol%로, 화학공정이 파라자일렌으로 부터 95mol%의 전환 수율을 가지는 것과 비교 할 때 매우 높은 생산

    수율을 달성하였다.

3. 기대효과

본 연구는 대장균을 이용해 폴리에스터 섬유, PET 제조 등에 사용되는 테레프탈산을 생합성 함에 따라 생물학적 방법을 통한 산업 화학물질의 대량생산 가능성을 보여 주었으며 중금속 촉매 또는 독성 화학물질을 사용하지 않는 100% 환경 친화적인 기술이라는 점에서 다양한 이점을 제공 할 것이다. 또한, 이는 비식용 바이오매스를 산업 화학 물질을 화학공정 없이 친환경적으로 전환할 수 있는 획기적 돌파구가 될 것으로 기대된다.

4. 참고문헌

Luo, Z.W. and Lee, S.Y. "Biotransformation of p-xylene into terephthalic acid by engineered Escherichia coli", Nature Comm. 8:15689