원문링크: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0167779921001335

연구 배경

플라스틱은 전세계적으로 매년 4억톤 정도 생산되고 있고, 생산량의 약 80%의 플라스틱이 매립지나 자연 환경 속에 버려져 있어 이로 인한 환경오염이 야생동물 뿐만 아니라 인간에게도 부정적 영향을 끼치는 것으로 알려져 있다. 따라서 지속가능한 폐플라스틱 처리 방안 수립이 환경 보전과 더불어 인간의 안정적인 삶의 영위를 위해서도 필수적일 것으로 예상된다. 이에 플라스틱 분해 미생물을 통한 폐플라스틱 처리가 지속가능한 폐플라스틱 처리 방안으로 주목받고 있다.

연구 성과

현재까지 플라스틱을 분해하는 다양한 미생물 종이 밝혀졌으나 미생물의 플라스틱 분해 기작은 밝혀지지 않았다. 이 논문에서는 예상 플라스틱 분해 기작을 제시하였고 그 중 플라스틱 분해의 첫 매듭을 푸는 주요 효소로 P450 (CYP)와 알케인 하이드록실라아제 (AlkB)를 꼽았다. 이들 효소의 모노옥시게나아제 활성을 통해 에틸렌 중합체의 중간 혹은 끝 부분에 산소를 결합시켜 이후 반응 효소들의 접근을 용이하게 할 것으로 예측하였다.

긴 탄화수소 사슬 분해에 말단 하이드록시화가 비효율적이므로 사슬 중심부 접근이 가능한 P450가 플라스틱 분해의 주요한 효소임을 강조하였다. 더불어 환원효소가 필요 없는 unspecific peroxygenase (UPO)의 플라스틱 분해 가능성도 제시해 친환경적 플라스틱 분해 방안의 경제적 산업화 가능성을 높였다. 연구팀은 또한 효율적 플라스틱 분해 효소 개발을 위해 합성생물학 기반의 효소 활성 부위 예측 및 효소 돌연변이를 제작하고 바이오센서 기반의 HTS를 접목시켜 고효율의 돌연변이 효소군을 쉽게 선별할 수 있을 뿐만 아니라 고효율 플라스틱 분해 효소를 미생물에 이식하여 기존 미생물보다 고효율의 신규 플라스틱 분해 인공 미생물을 제작할 수 있음을 제시하였다.

향후 계획

합성 플라스틱 탈중합 경로로 생성된 탈중합 산물은 미생물 생육 원료로 사용될 수 있다. 미생물 대사 경로 내 PE 생분해 효소에 대한 이해의 진보를 바탕으로 합성생물학 도구를 적용하여 미생물 세포 공장을 건설하고 활용하여 플라스틱 폐기물을 저하시킬 수 있을 것으로 예측된다. 플라스틱 분해 산물을 활용하여 고부가 가치를 지닌 화학 물질을 생산할 수 있을 것이다. 산업적으로 플라스틱 분해 합성 미생물이 활용 가능해지면 플라스틱 폐기물 처리에 기여할 뿐만 아니라 플라스틱의 업사이클링 활용도도 개선될 것으로 예측된다.

Abstract

Plastic contamination currently threatens a wide variety of ecosystems and presents damaging repercussions and negative consequences for many wildlife species. Sustainable plastic waste management is an important approach to environmental protection and a necessity in the current life cycle of plastics in nature. Plastic biodegradation by microorganisms is a notable possible solution. This opinion article includes a proposal to use hypothetical P450 enzymes with an engineered active site as potent trigger biocatalysts to biodegrade polyethylene (PE) via in-chain hydroxylation into smaller products of linear aliphatic alcohols and alkanoic acids based on cascade enzymatic reactions. Furthermore, we propose the adoption of P450 into plastic-eating synthetic bacteria for PE biodegradation. This strategy can be applicable to other dense plastics, such as polypropylene (PP) and polystyrene (PS).