대장균을 활용하여 플라스틱 원료(테레프탈산*) 생합성 성공

대장균을 활용하여 플라스틱 원료(테레프탈산*) 생합성 성공

- 생물학적 방법으로 산업 화학물질 대량생산 가능성 열어 -

* 폴리에스터 섬유, PET병 등의 주원료로 쓰이는 범용 화학물질

 

□ 미래창조과학부(장관 최양희) 글로벌프론티어사업(지능형바이오시스템설계및합성연구단)을 수행한 한국과학기술원(KAIST) 이상엽 교수팀은세계 최초로 대장균을 이용하여 폴리에스터 섬유 등의 주원료로 사용되는 테레프탈산*을 생합성**하는 데 성공하였다.

* 테레프탈산 : 폴리에스터 섬유, PET병 등의 주원료로 사용되며 각종 병류, 전기/전자용품 등에 응용되는 주요 화합물

** 생합성 : 생물체에서 세포의 작용으로 유기물질을 합성하는 일. 이 성질을 이용하여 실험적 또는 공업적으로 여러 물질의 선택적 합성이 가능

 

□현재 테레프탈산은 산업적으로 화학공정을 통해 제조(생산 효율 95mol%)되고 있으나 이러한 공정은 에너지 소모가 많고 유독성 촉매를 사용함으로써 환경 친화적이지 못한 단점이 있다.

 

o 이번에 개발된 대장균을 통한 테레프탈산 생산은 친환경적 방법으로 현 생산효율 이상(생산 효율 97mol%)의 생산이 가능하다.

* 현재 산업계 테레프탈산 생산 공정 :

주로 파라자일렌** 산화 화학공정을 통해 제조(95mol% 이상의 전환 효율)하며 유독성 금속 촉매(망간, 코발트 등) 사용 및 고온 고압의 환원반응을 통해 정제한다.

** 파라자일렌 : 테레프탈산의 주 원재료이며 폴리에스테르 등 합성섬유, PET(PET병 원료) 등 합성수지의 원료

o 이번 연구결과는 섬유에서 PET병, 자동차 부품까지 폭넓게 사용되는 테레프탈산을 미생물을 활용한 친환경적인 방법으로 대량생산할 수 있다는 점에서 큰 의미를 갖는다.

 

□ 이상엽 교수(한국과학기술원) 연구팀의 연구결과는 국제적인 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 온라인판 5월 31일자에 게재 되었다.

 

o 논문명과 저자 정보는 다음과 같다.

- 논문명 : Biotransformation of p-xylene into terephthalic acid by engineered Escherichia coli

- 저자 정보: 이상엽 교수 (교신저자, 한국과학기술원), Zi Wei Luo (제1저자, 한국과학기술원)

 

□ 논문의 주요 내용은 다음과 같다.

 

1. 연구의 필요성

○ 화학물질은 우리 일상생활의 모든 부분에 관여하며 세계경제에 중요한 역할을 한다. 석유화학산업이 높은 생산력을 바탕으로 다양하고 유용한 제품을 제공함에도 불구하고 재생가능하지 않은 석유에 의존하며 유독물질 및 발암 물질인 촉매 등의 사용으로 환경에 악영향을 끼치는 생산 공정을 이용하기 때문에 본질적으로 지속 불가능하다.

○ 하지만 이러한 화학공정과는 대조적으로, 생체촉매 기술의 경우 망간, 코발트와 같은 유독성 금속 촉매 등을 사용할 필요가 없다는 장점 때문에 친환경적인 대안으로서 많은 관심을 받고 있다.

2. 연구 내용

○ 연구팀은 파라자일렌*을 테레프탈산으로 전환시킬 수 있는 야생형 균주**에 관한 초기 연구를 기반으로 하여 파라자일렌을 테레프탈산으로 생체전환하기 위한 합성 대사경로***를 설계했다.

* 파라자일렌 : 폴리에스테르 등 합성섬유와 PET(폴리에틸렌테레프탈레이트 : PET병 원료) 등 합성수지 원료(테레프탈산의 주 원재료로 사용됨)

** 야생형 균주 : 돌연변이가 아닌 자연 집단 중에서 가장 높은 빈도로 관찰되는 유전형을 가진 세포

*** 합성 대사경로: 세포내에서 일어나는 화학 반응을 인위적으로 조작하여 만들어진 대사 경로

 

○ 새로 제작 된 경로를 통해 파라자일렌으로부터 테레프탈산을 생산하는 데에는 성공하였으나, 부산물이 축적되는 문제점(생산효율 저하)을 확인 하고 이를 해결하기 위해 대사 경로내에 인위적으로 도입된 새로운 유전자의 발현 정도를 다르게 조절 하여 가장 효율적으로 생산 할 수 있는 시스템을 개발 하였다.

 

○ 또한, 연구팀은 발효액을 유기층과 세포층으로 나누는 이상발효 시스템*의 최적화로, 세계 최초로 유기층에 공급되는 8.8 g의 파라자일렌으로 부터 13.3 g의 테레프탈산을 유가식 배양**을 통해 생산하는데 성공했다. 파라자일렌으로부터 테레프탈산의 전환 수율은 97mol%로, 화학공정이 파라자일렌으로부터 95mol%의 전환 수율***을 가지는 것과 비교 할 때 매우 높은 생산 수율을 달성하였다.

* 이상발효 : 유기화합물의 첨가로 상 분리를 시켜 유가식 배양을 진행 하는 과정.

(유기화합물은 기름 같은 성질이 있어 물인 배양액과 섞이지 않는 특성이 있음)

** 유가식배양 : 배양액을 간헐적으로 공급하는 배양법(영양분의 농도를 인위적으로 조절)으로, 세포나 특정 대사산물 생산을 극대화하기 위해 사용된다.

*** 전환 수율: 원자재에 어떤 과정을 가하여 원하는 물질을 얻을 때, 실지로 얻은 분량과 이론상으로 기대했던 분량과의 비율

 

3. 연구 성과

○ 생물학기반 테레프탈산 생산 기술은 망간, 납사(naphtha), 제올라이트, 고체 인산과 같은 중금속 촉매 또는 독성 화학 물질을 사용하지 않고 생산이 가능하며, 제거 가능한 부산물 형성 (균주 및 공정 최적화를 통해 100 % 전환 효율 달성도 가능할 것으로 전망됨) 및 100 % 환경 친화적인 기술이라는 점에서 다양한 이점을 제공한다.

○ 이 연구는 대사공학을 이용하여 조작된 대장균*의 발효를 통해 파라자일렌으로 부터 테레프탈산을 생산한 미생물 생명공학응용의 성공적인 사례이다.

* 현재 실험실 내의 대장균은 병원균이 아닌 무해한 Safey Level 1에 해당함.

□이상엽 교수는“이번 연구는 대장균을 이용해 폴리에스터 섬유, PET제조 등에 사용되는 테레프탈산을 생합성 함에 따라 생물학적 방법을 통한 산업 화학물질의 대량생산 가능성을 보여 주었고, 이는 탄화수소*를 화학공정 없이 친환경적으로 전환할 수 있는 획기적 돌파구가 될 것이라는 점에서 큰 의미를 가진다”고 말했다.

* 탄화수소 : 탄소와 수소로 이루어진 유기 화합물로 석유화학 공업에서 많은 화학제품의 원료가 됨(석유, 석탄, 천연가스의 주성분)

본 저작물은 '미래창조과학부'에서 '2017년에' 작성하여 공공누리 제1유형으로 개방한 '대장균을 활용하여 플라스틱 원료(테레프탈산*) 생합성 성공’ (작성자:기초연구진흥과)'을 이용하였으며, 해당 저작물은 '미래창조과학부, http://www.msip.go.kr'에서 무료로 다운받으실 수 있습니다.