미생물이 플라스틱 분해하는 소, 반추위

플라스틱 문제는 세계의 숙제다. 현재 연간 생산되는 플라스틱은 약 3억5900만t으로 추정되며 재활용 비율이 낮은 것을 감안하면 현재 인간은 플라스틱 쓰레기 더미에 살고 있다. 2020 유럽 플라스틱 산업보고서는 육상과 해양에 쌓이는 플라스틱 폐기물은 2,580만t으로 그 중 폴리에스테르가 약 15%를 차지한다고 밝혔다.최근 플라스틱을 분해하는 미생물을 소 위에서 발견했다. 오스트리아 산업생명공학센터(ACIB) 연구진은 소반추위에 서식하는 미생물이 페트병과 섬유에 사용되는 합성 폴리에스테르 성분인 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)를 분해하는 것을 발견했다고 과학저널 생명공학 및 생명공학 기술 프론티어스(Frontiers in Bioengineering and Biotechnology)에 밝혔다. 분해하는 미생물을 알아낼 수 있다면 플라스틱 쓰레기를 줄이는 지속가능한 대안이 될 것으로 기대된다.

천연 폴리에스테르 소화 소의 능력에서 연구출발소, 말과 같은 반추동물은 혹서, 벌집, 팔중주름, 주름 위의 4개의 방으로 구성된 위를 가지고 있다. 혹서와 벌집의 반추위를 거쳐 삼킨 음식을 다시 입 안에서 토해 씹은 뒤 삼키는 반추를 한다. 반추위는 풀처럼 거친 셀룰로오스를 분해하는 미생물이 배양되는 공간이다.

과학자들은 소반추 중인 미생물의 효소가 플라스틱을 분해하는 것을 발견했다. ⑨ 게티이미지뱅크 연구팀은 소의 반추 내부의 몇 개의 미생물로 작용한 효소가 PET를 분해한다는 가설을 세웠다. 소가 먹는 식물의 세포벽 성분에 큐틴(Cutin)이 들어 있기 때문이다. 큐틴은 폴리에스테르와 비슷한 구조다. 연구교신저자인 ACIB 도리스 리비치 박사는 반추동물은 많은 식물성 물질을 먹고 분해하지만 위에서 분해효소를 가진 미생물이 발견될 가능성을 예상한 것이 연구의 시작이라고 말했다.

실제로 폴리에스테르를 분해하는 가수분해효소에 대한 미생물 연구는 꾸준히 이뤄진 상태다. 악티노박테리아문이나 뿌리 썩는병을 유발하는 프살륨솔라니 휴미콜라인솔렌스(Humicolainsolens) 아스페질라스(Aspergillussp.)와 같은 곰팡이에서 분리된 가수분해효소가 폴리에스테르 분해능력을 갖춘 것으로 알려졌다.

캐나다 마니토바대 생물시스템공학부 데이비드 레빈 박사는 “PET를 섭취하는 최초의 박테리아는 일본 술 ‘술’ 발효에 관여하는 ‘이디오넬라 사카이엔시스’에서 플라스틱을 분해한다”고 말했다. 이 박테리아는 PET를 에틸렌글리콜과 같은 분자로 분해하기 위해 PETase MHE Tase라는 효소를 사용한다. 본보 플라스틱의 여섯 배 빨리 분해하는 효소 기사에서도 거론된 바 있다.

반추위의 미생물이 플라스틱 종류의 PET, PBAT, PEF를 가수분해하는 모식도, 도리스리비치, Frontiers in Bioengineering and Biotechnology

세균, 고생균 등 잠재적 폴리에스테르 분해 미생물을 발견하지만 소반추위 미생물에 대한 연구 사례는 없었다. 연구팀은 실험에서 소반추위에 존재하는 미생물이 PET 외에도 식품포장과 친환경 비닐의 주성분인 PBAT(Polybutylenea dipate repthalate)와 바이오매스 플라스틱의 PEF(Polyethylene furanoate)도 분해되는 사실을 밝혀냈다.

리비치 박사 연구진은 반추위 미생물의 플라스틱 분해능력 시험을 위해 3가지 플라스틱을 각각 반추위 액체로 13일간 배양했다. 결과는 3개의 플라스틱 모두 분해됐다. PEF가 다른 두 플라스틱보다 훨씬 잘 분해되는 것으로 나타났다.

연구진은 반추 내용물에서 추출된 DNA를 분석해 미생물을 분석했다. 박테리아인 세균이 98%로 가장 많고 나머지는 진핵생물(1%)과 고세균(0.9%), 바이러스(0.1%) 순으로 검출됐다. 세균계에서는 프로테오박테리아(Proteobacteria) 문이 가장 우세했고 박테리아 데이테스(Bacteroidetes), 퍼미큐티스(Firmicutes), 액티노박테리아(Actinobacteria) 등이 뒤를 이었다.프로테오박테리아문으로는 슈도모나스(Pseudomonas) 속이 가장 많고 이어 아시네토박터(Acinetobacter)가 검출됐다. 이전 연구에서 슈도모나스종은 PET 가수분해를 위해 에스테라아제, 리파아제, 큐티나제 등의 가수분해효소를 활성화하는 것으로 알려져 있다. 되새김질로 발견된 종은 메틸케톤 분해에 관여하는 슈도모나스 벨로니(Pseudomonas veroni)다.

슈도모나스 벨로니(P.v eronii).소의 반추 중에서 가장 많이 존재하는 것으로 확인됐다.© 라이프니츠 연구소 DSMZ-Deutsche Samsung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH

반추위에서 발견된 미생물 가운데 고세균도 포함됐다. 고온과 강한 산성도, 염도 등 극한 환경에서 생존하는 고세균이 효소를 통해 폴리에스테르를 분해하는 것이 확인됐지만 추가 연구가 필요하다고 연구진은 밝혔다. 검출된 고세균은 메타노콜프스쿨라브레아눔(Methanocorpusculumla breanum)과 메타노큘라(Methanoregulasp.)

폴리에틸렌 등 강한 결합 분해하는 박테리아 효소 연구 필요 연구팀은 반추액으로 한 종류의 효소만 작용한 것이 아니라 서로 다른 효소가 분해와 관련해 상승작용을 한 것으로 추정했다. 연구팀은 소반추위에서 플라스틱을 분해하는 박테리아를 식별해 플라스틱을 가수분해하는 데 사용하는 특정 효소를 찾을 계획이다. 효소가 식별되면 소 위에서 직접 미생물을 수집할 필요 없이 유전적 조작으로 대량생산이 가능하다.

또한 앞으로 폴리에틸렌과 폴리프로필렌 등 탄소간 강한 결합의 중합체 분해를 연구할 계획이다. 이런 구조는 가수분해 효소의 능력을 제한하는 것으로 알려졌다. 리비치 박사는 반추위에서 폴리프로필렌이나 폴리에틸렌 분해 효소를 발견할 수 있기를 희망한다고 지속적인 연구 계획을 밝혔다.이번 연구를 비롯해 전 세계 과학자들은 박테리아에 의한 효소로 플라스틱 문제를 해결하려는 연구에 관심이 많다. 지난해 6월 대구경북과학기술원(DGIST) 김대환 기초학부 교수 연구진은 미국풍뎅이의 슈퍼웜 몸속 장액에서 플라스틱 소재 폴리스틸렌을 분해하는 사실을 발견한 사례도 있다. 박테리아 슈도모나스 속의 세린계 가수분해 효소가 작용한 것으로 확인됐다.

지난해 대구경북과학기술원(DGIST) 김대환 기초학부 교수 연구진은 미국풍뎅이 유충인 슈퍼웜의 몸속에서 폴리스틸렌을 생분해하는 박테리아를 처음 발견해 미국화학회(ACS) Weekly Press Pac으로 선정됐다.ⓒDGIST 효소를 통해 중합체 분해가 가능하다면 재결합을 통해 플라스틱 재활용도 가능하다. 과학자들은 효소를 조작해 특정 플라스틱을 순수한 단량체로 분해한 뒤 새로운 플라스틱으로 재활용하는 시스템을 연구하고 있다. 산업화 움직임도 보인다. 프랑스 카바이오스(Carbios)는 플라스틱 섬유 재활용 기술로 효소 생산 공장을 올해 건립할 계획이라고 밝혔다.

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