저렴하고 내구성이 뛰어나며 활용도가 높은 플라스틱 생산은 지난 수십 년간 폭발적으로 증가하여 우리 삶의 모든 영역에 스며들었습니다. 하지만 한때 각광받던 이 고분자 물질에는 어두운 이면이 있습니다. 플라스틱은 분해되는 데 수백 년이 걸릴 수 있으며, 전 세계적으로 연간 3억 5천만 톤 이상이라는 천문학적인 수준으로 생산되고 있어 플라스틱 오염은 오늘날 전 세계가 직면한 가장 시급한 환경 문제 중 하나입니다.
매년 1억 5천만 톤의 플라스틱이 매립지로 향하거나 환경으로 배출되며, 800만 톤 이상이 강을 통해 전 세계 바다로 유입됩니다. 이 중 대부분은 분해되지 않고 단순히 미세 입자로 부서집니다. 이렇게 잘 알려진 미세 플라스틱은 바닷물, 해양 동물, 심지어 인간의 위장관 깊숙한 곳에서도 발견됩니다. 플라스틱 오염은 오늘날 인류가 직면한 가장 심각한 환경 문제 중 하나이며, 연구자들은 이 난해한 플라스틱 문제를 해결하기 위해 분주히 노력하고 있습니다.
해중합: 고분자 재활용의 난제 해결
플라스틱은 단량체(monomer) 블록이 반복되어 만들어진 긴 사슬인 고분자(polymer)로 구성됩니다. 널리 사용되는 대부분의 플라스틱은 열가소성 또는 열경화성입니다. 아크릴, 폴리아미드, 폴리에틸렌과 같은 열가소성 플라스틱은 고온에서 부드러워져 성형이 가능하고 냉각 시 딱딱하게 굳습니다. 이러한 특성 덕분에 열가소성 플라스틱은 부드럽게 만들어 새로운 제품으로 재성형할 수 있어 재활용이 비교적 쉽지만, 품질 저하로 인해 재활용에 한계가 있습니다. 반면 폴리우레탄, 에폭시 수지, 멜라민 수지와 같은 열경화성 플라스틱은 가열하면 딱딱하게 굳어 재활용이 거의 불가능합니다. 열가소성 및 열경화성 플라스틱 재활용이 직면한 이러한 문제들은 결국 모든 플라스틱이 환경 오염의 원인이 될 것임을 시사합니다.
새로운 제품으로 재사용하는 진정한 재활용을 달성하려면, 폐플라스틱을 해중합(depolymerization)이라는 과정을 통해 원래의 단량체 상태로 되돌려야 합니다. 이는 글로벌 순환 소재 경제를 실현하기 위해 필요한 핵심적인 기술적 진보입니다. 생물학적 시스템에서 단량체로의 완전한 해중합은 미생물의 흡수와 성장을 위해 필수적일 수 있습니다.
해중합을 달성하기 위해 과학자들은 자연에서 플라스틱을 분해할 수 있는 미생물 효소를 찾기 시작했습니다. 2012년 오사카 대학교 연구진은 퇴비 더미에서 세계에서 가장 많이 사용되는 플라스틱 중 하나를 분해할 수 있는 효소를 발견했습니다. 바로 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET, CAS 등록 번호 25038-59-9, 화학식 (C10H8O4)n)입니다.
이 효소는 잎-가지 퇴비 큐티나제(LLC)로 알려져 있으며 PET 단량체 사이의 결합을 끊어내지만, PET의 연화 온도인 65°C를 견디지 못합니다. 이 온도에서 며칠간 작동하면 변성되어 산업적 활용성이 제한됩니다. 해중합은 플라스틱이 녹은 상태에서만 일어날 수 있으므로, 효소는 고온에서도 안정적이어야 합니다.
잘 알려지지 않은 토양 박테리아를 이용한 이중 작용 PET 해중합
PET는 열가소성 플라스틱이자 가장 널리 사용되는 폴리에스테르 중 하나입니다. 전 세계 PET 생산량은 2014년 4,200만 톤에서 2016년 5,000만 톤으로 증가했으며, 2022년에는 8,700만 톤에 이를 것으로 예상됩니다.
이 합성 고분자는 석유 유래 테레프탈산(TPA)과 에틸렌 글리콜(EG)로 제조됩니다. PET는 결정 구조와 입자 크기에 따라 투명, 불투명, 흰색 등 다양한 색상으로 만들 수 있는 다재다능한 고분자입니다(그림 1). 의류 섬유와 물병을 포함한 용기 생산에 널리 사용되며, 비배향성 PET는 열성형(또는 성형)을 통해 블리스터 팩과 같은 다른 포장재를 제조하는 데 사용됩니다1. PET를 효과적으로 해중합하는 방법을 찾는 것은 진정한 플라스틱 재활용과 그에 따른 환경 보호를 향한 여정의 중요한 이정표가 될 것입니다.
PET 생분해는 에스테르 가수분해 효소(에스테르를 산과 알코올로 분해하는 효소)가 자연계에 풍부하기 때문에 광범위하게 연구되어 왔습니다2. 그러나 PET의 생물학적 분해나 미생물 성장을 지원하기 위한 활용에 관한 보고는 드뭅니다. 사상균 그룹에 속하는 일부 유기체인 푸사리움 옥시스포룸(Fusarium oxysporum)과 푸사리움 솔라니(Fusarium solani)는 PET 원사가 포함된 무기 배지에서 배양된 바 있습니다3.
2016년 요시다(Yoshida) 등4은 일본의 한 플라스틱 재활용 시설 근처의 PET 오염 퇴적물에서 자라고 있던 토양 박테리아 균주인 이데오넬라 사카이엔시스(Ideonella sakaiensis) 201-F6을 발견하고 그 특성을 규명했다고 보고했습니다. 이 그람 음성, 호기성, 막대 모양의 박테리아는 PET를 성장을 위한 주요 탄소 및 에너지원으로 사용하는 놀라운 능력을 갖추고 있습니다.
I. 사카이엔시스는 두 가지 효소 시스템을 사용하여 PET를 구성 요소인 TPA와 EG로 해중합하며, 이는 다시 탄소 및 에너지원으로 이화됩니다. 두 효소 중 하나인 ISF6_4831 단백질은 에스테르 결합을 가수분해하여 끊어냅니다. 지방족 에스테르보다 방향족 에스테르를 선호하고 특히 PET에 대한 특이적 성향을 보이기 때문에, 이를 PET 가수분해 효소(PETase)라고 명명했습니다. I. 사카이엔시스의 PETase는 PET 고분자를 공격하여 비스(2-하이드록시에틸) 테레프탈레이트(BHET), 모노(2-하이드록시에틸) 테레프탈레이트(MHET) 및 TPA를 방출하는 큐티나제 유사 세린 가수분해 효소입니다. PETase는 BHET를 MHET와 EG로 추가 분해합니다. 두 번째 효소인 ISF6_0224 단백질, 즉 MHET 가수분해 효소(MHETase)는 수용성 MHET를 추가로 가수분해하여 TPA와 EG를 생성합니다(그림 2). 두 효소는 PET를 환경에 무해한 두 단량체인 TPA와 EG로 효소적으로 전환하기 위해 시너지 효과를 내며 함께 작용하며, 이를 통해 PET를 완전히 재활용할 수 있게 합니다4.
PETase 돌연변이체의 향상된 PET 분해 능력
PETase 효소의 서열 및 구조 연구를 통해, 많은 박테리아가 큐틴을 분해하기 위해 진화시킨 큐티나아제 효소와의 유사성이 밝혀졌습니다. 큐틴은 많은 식물의 보호 큐티클 층을 구성하는 천연 왁스형 고분자입니다. 결정 구조 분석 및 생화학적 테스트 결과, I.sakaiensis 2의 PETase는 결합 부위에 개방형 활성 부위 구조를 가지고 있으며, 표준 세린 가수분해효소 촉매 메커니즘을 따를 가능성이 높다는 점이 확인되었습니다5.
PETase와 상동 큐티나아제 활성 부위 틈새의 구조적 변형을 바탕으로, 촉매 중심에서 떨어진 곳에 이중 돌연변이를 가진 변이체를 포함하여 PET 분해를 위한 PETase 변이체들이 제작 및 테스트되었습니다. 이 영역은 중요한 기질 결합 상호작용을 개선할 수 있을 것으로 추정됩니다6. 큐티나아제 구조를 기반으로 한 이 이중 돌연변이체는 야생형 PETase에 비해 향상된 PET 분해 능력을 보이는 것으로 확인되었으며6 현재 특허가 출원되었습니다7.
연구진은 큐티나아제의 활성 부위 잔기 두 개를 돌연변이시켜 결합 틈새를 좁힘으로써 PET 분해 성능이 향상됨을 확인했습니다. 이는 PETase가 PET가 풍부한 환경에서 진화했음에도 불구하고 결정성 PET 분해에 최적화된 구조를 갖추고 있지 않음을 시사합니다. 이 돌연변이 효소는 플라스틱을 분해하기 시작하는 데 며칠밖에 걸리지 않는데, 이는 바다에서 수 세기가 걸리는 것과 비교하면 현저히 빠른 속도입니다.
이중 돌연변이체에서 이중 효소 칵테일로
반응에 MHETase 효소를 첨가하면 효소 혼합물은 PETase 단독 사용 시보다 두 배 빠르게 PET를 분해합니다. 테스트된 효소 농도 범위 내에서 관찰된 분해 경향은 두 효소의 농도가 증가함에 따라 구성 단량체의 수준이 높아짐을 보여줍니다. 이는 반응이 기질이 아닌 효소에 의해 제한됨을 나타냅니다. 시너지 분석 결과 또한 PETase 농도가 증가함에 따라 분해 속도가 빨라지며, PETase 대비 낮은 농도의 MHETase가 존재하더라도 전체 분해율이 향상됨을 보여줍니다. 현재 실험에서는 PETase와 MHETase의 최적 비율이 확인되지 않았습니다.
슈퍼 효소 제작을 통한 PET 분해율 3배 향상
PET 분해의 특성과 범위를 탐구하는 추가 실험에서 연구진은 MHETase와 PETase를 하나의 긴 사슬로 연결하여 새로운 슈퍼 효소를 설계했습니다. 유연한 글리신-세린 링커를 사용하여 MHETase의 C 말단과 PETase의 N 말단을 공유 결합시킨 키메라 단백질을 생성하고 비정질 PET에 대한 분해 능력을 분석했습니다(그림 3). 다양한 효소에 의한 분해 정도를 비교했을 때, 키메라 단백질은 PETase와 MHETase 각각은 물론, 연결되지 않은 효소 혼합물보다 더 뛰어난 성능을 보였습니다.
흥미롭게도 이 슈퍼 효소는 PET를 해중합할 뿐만 아니라 PEF(폴리에틸렌 푸라노에이트), 즉 맥주병에 사용되는 당 기반 바이오플라스틱에도 작용합니다.
셀룰로오스나 키틴과 같은 일부 천연 고분자의 효소적 분해는 자연계에서 미생물이 분비하는 시너지 효과를 내는 효소 혼합물에 의해 이루어집니다8. 이러한 천연 미생물 시스템은 시간이 지남에 따라 해당 고분자를 최적으로 분해하도록 진화해 왔습니다. I. sakaiensis와 같은 일부 토양 박테리아도 이와 유사한 방식으로 진화하여 2종 효소 시스템을 통해 폴리에스테르 기질을 활용하는 것으로 보입니다4,9. 수 세기가 걸릴 수 있는 자연 분해와 달리, 슈퍼 효소는 단 며칠 만에 PET를 단량체로 되돌릴 수 있지만, 상업적으로 활용하기에는 여전히 너무 느린 속도입니다.
플라스틱 분해를 통한 무한 재활용
슈퍼 효소는 PET를 원래의 단량체 구성 요소로 되돌림으로써 플라스틱을 무한히 생산하고 재사용할 수 있게 하여 화석 자원에 대한 의존도를 줄여줄 것입니다. 그리고 이러한 혁신은 여기서 멈추지 않습니다…
2020년, 과학자들은 단 10시간 만에 PET를 분해할 수 있는 또 다른 효소를 발견하는 큰 진전을 이루었습니다10. 이 연구는 2012년에 처음 발견된 잎-가지 퇴비 큐티나아제(LCC)를 포함하여 잠재적 후보군을 찾기 위해 다양한 박테리아와 효소를 선별했습니다. 이후 결합 부위의 아미노산을 변경하고 열 안정성을 개선하여 수백 개의 돌연변이 PET 가수분해효소를 제작했습니다. 이어 효율적인 PET 분해자를 찾기 위해 박테리아 돌연변이체를 선별했습니다. 이 과정을 여러 차례 반복한 끝에 천연 LCC보다 PET 분해 효율이 10,000배 높은 돌연변이 효소를 분리해냈습니다. 이 효소는 PET의 녹는점에 가까운 72°C에서도 안정적입니다. 이 발견은 PET의 무한 재활용을 실현하는 데 크게 기여하며 이미 산업 파일럿 단계에 진입해 있습니다10.
우리는 이러한 미생물과 그 효소가 제공할 수 있는 가능성의 빙산의 일각만을 보고 있을 뿐입니다. 대부분의 플라스틱은 화석 연료에서 추출되며, 생성량은 한정되어 있지만 우리 환경 어디에나 존재합니다. 순환 경제를 구축할 방법을 찾지 못한다면 플라스틱 오염은 계속해서 커지는 문제가 될 것입니다. 이미 존재하는 폐기물을 재활용할 방법을 찾지 못한다면, 불과 수십 년 안에 우리는 우리가 의존하는 플라스틱 제품을 생산할 수 없게 될 것입니다. 전통적인 재활용 방식은 효과적이지도 지속 가능하지도 않으며, 산업적 규모로 플라스틱을 단량체 구성 요소로 환원할 수 없다면 이 문제를 해결할 희망은 없습니다. 다행히 자연의 도움과 숙련된 진화, 그리고 약간의 과학적 독창성이 더해져 이 문제가 해결될 수 있다는 희망이 보입니다.
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참고 문헌
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