플라스틱은 저렴하고 튼튼하고 형태 변형이 용이한 물질로, 지난 수십년 간 폭발적인 생산량 증가와 함께 인간 생활의 모든 곳에 스며들었습니다. 그러나 이 매력적인 중합체는 치명적인 단점이 있습니다. 바로 물질 분해에 수백년이 걸린다는 것입니다. 전세계적으로 연간 3억 5천만 톤이라는 천문학적인 생산량을 볼 때 플라스틱 오염은 오늘날 인류가 마주한 가장 중대한 환경 문제 중 하나입니다.
매년 믿기 어려울 정도로 많은 1억 5천만 톤의 플라스틱이 매립지에 묻히거나 환경에 그대로 배출되며 강을 거쳐 바다로 흘러가는 양도 8백만 톤에 달합니다. 이 플라스틱은 대부분 분해되지 않고 미세 입자로 쪼개집니다. 미세플라스틱으로 규정된 이 입자는 바다 속, 해양 동물 체내, 심지어 인체 위장계 깊은 곳에서도 발견됩니다. 플라스틱 오염은 오늘날 인류가 처한 가장 중요한 환경 문제 중 하나이며 이 복잡한 플라스틱 문제의 해답을 찾기 위한 연구가 활발히 진행되고 있습니다.
해중합: 중합체 재활용 난제 해결
플라스틱은 단량체 블록의 반복으로 생성된 긴 체인 구조의 중합체로 만들어집니다. 널리 사용되는 플라스틱의 대부분은 열가소성 또는 열경화성을 갖습니다. 아크릴, 폴리아미드, 폴리에틸렌과 같은 열가소성 물질은 고온에서 부드러워지고 형태가 쉽게 변형되며 온도가 낮아지면 단단해집니다. 따라서 품질은 저하되더라도 부드러운 상태에서 새로운 제품으로 재생할 수 있기 때문에 상대적으로 쉽게 재활용할 수 있습니다. 폴리우레탄, 에폭시 수지, 멜라민 수지와 같은 열경화성 플라스틱은 열을 가하면 단단해지며 재활용이 거의 불가능합니다. 열가소성 수지와 열경화성 수지의 재활용과 관련된 문제는 결국 모든 플라스틱이 환경 오염을 유발한다는 것입니다.
실질적인 재활용, 즉 새로운 제품으로서 재사용하기 위해서는 해중합 프로세스를 통해 폐기 플라스틱을 원래 단량체로 복원시켜야 합니다. 전세계 순환 자원 경제를 지원하기 위해서는 이러한 기술 발전이 반드시 필요합니다. 생물학적 시스템에서는 미생물 섭취와 성장에 있어 단량체로의 완벽한 해중합이 필요합니다.
과학자들은 해중합의 해답을 자연에서 찾고 있습니다. 즉 플라스틱을 분해할 수 있는 미생물 효소를 찾고 있습니다. 2012년, 오사카대학교 연구진은 전세계적으로 가장 많이 사용되는 플라스틱 중 하나인 폴리에틸렌 테레프타레이트(PET, CAS 레지스트리 번호 25038-59-9, 분자식(C10H8O4)n)을 분해할 수 있는 효소를 퇴비 더미에서 발견했습니다.
나뭇잎 퇴비 큐틴 분해효소(LLC)로 알려진 이 효소는 PET 단량체 결합을 해체하면서도 65°C의 PET 연화 온도를 견딜 수 없습니다. 따라서 이 온도에서 며칠 간 처리하면 변성이 되어 산업적 실용성이 제한됩니다. 해중합은 녹은 플라스틱에서만 발생할 수 있으므로 효소가 고온에서도 안정적인 상태를 유지해야 합니다.
잘 알려지지 않은 토양 박테리아로부터의 이중 작용 PET 해중합
PET는 열가소성 수지이자 세계에서 가장 널리 사용되는 폴리에스테르 중 하나입니다. 전세계 PET 생산량은 2014년 4천 2백만 톤에서 2016년 5천만 톤으로 증가했으며 2022년에는 8천 7백만 톤에 이를 것으로 예상됩니다.
이 합성 중합체는 석유 유도 테레프탈산(TPA)과 에틸렌글리콜(EG)이 원재료입니다. PET는 결정 구조와 입자 크기에 따라 투명, 불투명 또는 흰색으로 만들 수 있는 다기능성 중합체입니다(그림 1). 의류 섬유와 물병과 같은 용기를 만드는 데 널리 사용되며 무방향성 PET의 경우 열성형(또는 주형) 과정을 거쳐 블리스터 팩과 같은 다른 포장재를 만들 수 있습니다1. PET를 효과적으로 해중합할 수 있는 방법을 찾는다면 진정한 의미의 플라스틱 재활용과 그에 따른 환경 보호를 위한 여정에서 중요한 업적을 달성하게 될 것입니다.
에스테라아제 효소(에스테르를 산과 알코올로 분해하는 효소)는 자연 상태에서 풍부하게 존재하므로 PET 생물 분해에 대한 연구가 광범위하게 진행되고 있습니다2. 그러나 PET의 생물 분해 또는 미생물 증가에 도움을 주는 활용도에 대한 보고서는 많지 않습니다. 일부 곰팡이균류, 푸사리움 옥시스포럼과 푸사리움 솔라니는 PET 방적사가 함유된 광물성 매개체에서 자랍니다3.
2016년, Yoshida를 비롯한 연구진4은 토양 박테리아 균주, 이데오넬라 사카이엔시스 201-F6의 발견과 특성화 결과를 보고했습니다. 이 미생물은 일본 플라스틱 재활용 시설 인근의 PET 오염 퇴적물에서 자라고 있는 것이 확인되었습니다. 막대 모양의 이 그람 음성, 호기성 박테리아는 PET를 주요 탄소 및 에너지원으로 사용하여 증식하는 놀라운 능력을 갖고 있습니다.
이데오넬라 사카이엔시스는 2-효소 시스템을 사용하여 PET를 기본 구성 요소인 TPA와 EG로 해중합하며 이 두 물질은 이화 작용을 통해 탄소와 에너지원이 됩니다. 두 효소 중 하나인 ISF6_4831 단백질은 가수분해 작용으로 에스테르 결합을 해체합니다. 지방족 에스테르보다 방향족 에스테르를 선호하고 PET에 대한 특정 성향으로 인해 이 단백질은 PET 가수 분해 효소(PETase)로 지정되었습니다. 이데오넬라 사카이엔시스의 PETase 효소는 PET 중합체를 공격하는 큐티나제 유사 세린 가수 분해 효소로, 비스(2-하이드록시에틸) 테레프탈레이트(BHET), 모노(2-하이드록시에틸) 테레프탈레이트(MHET) 및 TPA를 배출합니다. PETase는 또한 BHET를 MHET와 EG로 분해합니다. 두 번째 효소이자 ISF6_0224 단백질인 MHET 가수 분해 효소(MHETase)는 용해성 MHET를 가수 분해하여 TPA와 EG를 생성합니다(그림 2). 효소를 사용하여 PET를 친환경 단량체인 TPA와 EG4로 변환하려면 두 가지 효소가 모두 필요하며 시너지 효과를 통해 PET를 완벽하게 재활용할 수 있습니다.
그림 2. PET 해중합 원리: PET가 비스(2-하이드록시에틸)-TPA(BHET), 모노(2-하이드록시에틸) 테레프탈레이트(MHET), 테레프탈산(TPA)으로 해중합되는 과정을 PETase가 촉진합니다. MHETase가 MHET를 단량체 TPA와 에틸렌글리콜(EG)로 변환합니다.
PETase 돌연변이의 초대규모 PET 분해 능력
PETase 효소의 염기서열 및 구조 연구에서는 큐틴 분해 효소와의 유사성을 강조합니다. 이 효소는 많은 식물에서 보호 큐티클의 일부를 구성하는 천연 왁스 중합체인 큐틴을 분해하도록 많은 박테리아에 의해 진화되었습니다. 결정 구조 분석과 생화학 테스트 결과, 이데오넬라 사카이엔시스 2의 PETase가 결합 부위에서 열린 활성 부위 구조를 가지며 기본 세린 가수 분해 효소 촉매 메커니즘에 따라 작용하는 것으로 밝혀졌습니다5.
PETase의 구조 변형과 동종 큐티나제 활성 부위 틈을 기반으로, 이제 촉매 중심 말단에 이중 돌연변이가 나타난 변종을 포함하여 PETase 변형이 생성되었으며 PET 분해 테스트를 거쳤습니다. 이 부위는 중요한 기질 결합 상호작용을 수정할 수 있다는 가설이 세워졌습니다6. 큐티나제 구조를 기반으로 하는 이 이중 돌연변이는 야생형 PETase에 비해 PET 분해 능력이 우수한 것으로 밝혀졌으며6 현재 특허 출원 중에 있습니다7.
연구원들은 큐티나제 내 두 활성 부위 잔여물의 돌연변이를 통해 결합 틈을 좁힌 결과 PET 분해도가 개선되었음을 확인했으며 이는 PET가 풍부한 환경에서의 진화에도 불구하고 PETase가 결정체 PET 분해를 위한 최적의 구조를 보이지 않음을 보여줍니다. 이 돌연변이 효소가 플라스틱 분해를 시작하는 데는 며칠밖에 걸리지 않으며 이는 바다에서 분해하는 수백 년에 비해 엄청나게 빠른 속도입니다.
이중 돌연변이에서 이중 효소 칵테일로
MHETase 효소가 반응에 추가되면 PETase만 사용하는 경우보다 이 효소 혼합물이 PET를 두 배 더 빠른 속도로 분해합니다. 테스트 대상 효소 로딩 범위 내에서 관찰되는 분해 추세는 두 효소 농도가 증가함에 따라 구성 요소 단량체의 수준 또한 증가함을 보여줍니다. 이는 반응이 제한적인 기질이 아닌 효소임을 나타냅니다. 또한 시너지 분석 결과를 보면 PETase 로딩에 따라 분해율이 증가하고 MHETase가 존재하는 경우 PETase에 비해 상대적으로 낮은 농도에서도 전체 분해도가 향상되는 것으로 나타났습니다. 현재 실험에서는 최적의 PETase 대 MHETase 비율은 알 수 없습니다.
수퍼 효소로 PET 분해도 3배 향상
연구원들은 PET 분해의 특성과 범위를 연구하는 추가 실험에서 MHETase와 PETase를 하나의 긴 체인으로 연결하여 새로운 수퍼 효소를 만들었습니다. 유연한 글리신-세린 링커를 사용하여 MHETase의 C 말단을 PETase의 N 말단에 공유 결합 방식으로 연결하는 이 융합 단백질은 생성 후 무정형 PET 분해도에 대한 분석을 마쳤습니다(그림 3). 서로 다른 효소의 분해도 범위를 비교해 보면 융합 단백질이 PETase와 MHETase는 물론 결합이 해제된 효소 혼합물보다도 우수한 성능을 보입니다.
흥미로운 사실은 수퍼 효소가 PET를 단량체로 분해할 뿐만 아니라 맥주병에서 사용되는 당류로 만든 바이오플라스틱인 PEF(폴리에틸렌 푸라노에이트)에도 작용한다는 것입니다.
셀룰로스, 키틴과 같은 일부 천연 중합체의 효소 분해는 미생물에서 분비되는 상승 작용 효소의 혼합물에 따라 자연적으로 발생합니다8. 이러한 천연 미생물 시스템은 오랜 세월을 거쳐 진화해 왔으며 해당 중합체를 최적화된 상태로 분해합니다. 이데오넬라 사카이엔시스와 같은 일부 토양 박테리아 역시 2-효소 시스템의 폴리에스테르 기질을 활용하여 유사한 방식으로 진화해 왔습니다4,9. 수백 년이 걸리는 자연 분해와 달리 수퍼 효소는 단 며칠만에 PET를 원래 단량체로 변환시킬 수 있지만 여전히 너무 느려 상용화는 어려운 상황입니다.
플라스틱 분해를 통한 무한 재활용
수퍼 효소가 PET를 최초 단량체 구성 요소로 변환할 수 있다는 것은 플라스틱을 만든 후 계속 재사용함으로써 화석 연료에 대한 의존을 줄일 수 있음을 의미합니다. 혁신은 여기에 그치지 않았습니다…
2020년, 과학자들은 PET를 단 10시간만에 분해할 수 있는 또 다른 효소를 발견하는 중요한 성과를 거두었습니다10. 이 연구에서는 2012년 처음 발견된 나뭇잎 퇴비 큐틴 분해효소(LLC)를 포함하여 잠재적 후보 물질에 사용할 수 있는 다양한 박테리아와 효소를 연구했습니다. 결합 부위에서 다양한 아미노산을 적용하고 열 안정성을 개선함으로써 수백 가지 돌연변이 PET 가수 분해 효소가 생성되었습니다. 다음으로 박테리아 돌연변이를 선별하여 효율적인 PET 분해자를 식별할 수 있었습니다. 이 프로세스를 여러 번 실행한 결과, 기존 LCC보다 PET 분해 능력이 10,000배 더 효율적인 돌연변이 효소가 분리되었습니다. 이 효소는 PET의 융해 온도에 가까운 72°C에서도 안정적입니다. 이 연구 결과는 PET의 무한 재활용에 큰 기여를 했으며 이미 산업 현장에서 시험이 진행되고 있습니다10.
지금까지의 성과는 이러한 미생물과 그 효소가 제공할 수 있는 가능성의 빙산의 일각에 불과합니다. 대부분의 플라스틱은 한정적인 화석 연료를 기반으로 하며 일상 생활 전반에 걸쳐 사용됩니다. 플라스틱 오염은 순환 경제 구축을 위한 방법을 찾지 못한다면 문제의 심각성이 더욱 커질 것입니다. 기존 폐기물을 재활용할 수 있는 방법을 찾지 못하면 몇십 년 안에 필요한 플라스틱 제품을 생산하지 못하게 될 것입니다. 전통적인 재활용 방법은 효과적이지도 친환경적이지도 않습니다. 또한 산업 전반에 걸쳐 플라스틱을 단량체 구성 요소로 줄일 수 없다면 이 문제를 해결할 수 없습니다. 다행히, 자연의 도움, 기술적 진화, 여기에 약간의 과학적 역량을 더해 이 문제를 해결할 수 있다는 희망을 갖게 되었습니다.
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참고 문헌
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