소, 반추위 미생물이 플라스틱 분해하다

플라스틱 문제는 지구촌 숙제다. 현재 연간 생산되는 플라스틱은 약 3억 5,900만 톤으로 추정. 재활용률이 낮은 것을 고려하면 현재 인간은 플라스틱 쓰레기 더미에 살고 있다. 2020 유럽 플라스틱 산업 보고서에서는 육상과 해양에 쌓이는 플라스틱 폐기물은 2,580만 톤이며, 그 중 폴리에스테르가 약 15%를 차지한다고 밝혔다.최근 플라스틱을 분해하는 미생물을 소 위에서 발견했다. 오스트리아 산업생명공학센터(ACIB) 연구진은 “작은 추위에 서식하는 미생물이 페트병과 섬유에 사용되는 합성 폴리에스테르 성분인 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)를 분해하는 것을 발견했다”고 과학저널 ‘생명공학 및 생명공학 기술 프론티어스(Frontiers in Bioengineering and Biotechnology)’에 발표했다. 분해하는 미생물을 특정할 수 있다면 플라스틱 쓰레기를 줄이는 지속가능한 대안이 될 것으로 기대된다.

천연 폴리에스테르를 소화하는 소의 능력 때문에 연구 출발소, 말과 같은 반추동물은 혹, 벌집, 이중주름, 주름 위 네 개의 방으로 구성된 위를 가지고 있다. 혹서와 벌집의 추위를 거쳐 삼킨 음식을 다시 입안에서 토하고 씹은 뒤 삼키는 반추한다. 반추위는 풀과 같은 거친 셀룰로오스를 분해하는 미생물이 배양되는 공간이다.

소반냉지 내 미생물의 효소가 플라스틱을 분해하는 것을 과학자들이 발견했다. ⓒ게티이미지뱅크 연구진은 소의 반냉위 내부의 몇몇 미생물로 작용한 효소가 PET를 분해한다는 가설을 세웠다. 소가 먹는 식물의 세포벽 성분에 큐틴(Cutin)이 함유됐기 때문이다. 큐틴은 폴리에스테르와 비슷한 구조다. 연구교신저자인 ACIB 도리스 리비치 박사는 “반추동물은 많은 식물성 물질을 먹고 분해하는데 위에서 분해효소를 가진 미생물이 발견될 가능성을 예상한 것이 연구의 시작”이라고 말했다.

실제로 폴리에스테르를 분해하는 가수분해효소에 관한 미생물 연구는 꾸준히 진행돼 온 상태다. 악티노 박테리아(Actinobacteria) 문이나 뿌리 부패병을 유발하는 프살륨솔라니(Fusariumsolani), 휴미콜라인솔렌스(Humicolainsolens), 아스퍼질러스(Aspergillussp.) 같은 곰팡이에서 분리된 가수분해효소가 폴리에스테르 분해 능력을 갖춘 것으로 알려져 왔다.

캐나다 매니토바대 생물시스템공학부 데이비드 레빈 박사는 “PET를 섭취하는 첫 번째 박테리아는 사케 ‘술’ 발효에 관여하는 ‘이데올로기넬라 사카이엔시스(Ideonellasakaiensis)’로 플라스틱을 분해한다”고 말했다. 이 박테리아는 PET를 에틸렌 글리콜 같은 분자로 분해하기 위해 PETase MHETase라는 효소를 사용한다. 본보 플라스틱 6배 빨리 분해하는 효소 기사에서도 다룬 바 있다.

반추위 미생물이 플라스틱 종류의 PET, PBAT, PEF를 가수분해하는 모식도 ⓒ 드리스리비치, Frontiers in Bioengineering and Biotechnology

세균, 고세균 등 잠재적 폴리에스테르 분해 미생물을 발견하지만 소반냉위 미생물에 관한 연구 사례는 없었다. 연구진은 실험에서 소반랭위에 존재하는 미생물이 PET 외에 식품 포장과 친환경 비닐의 주성분인 PBAT(Polybutyleneadipateterepthalate)와 바이오매스 플라스틱인 PEF(Polyethylenefuranoate)도 분해하는 사실을 밝혀냈다.

리비티 박사 연구진은 반추위 미생물의 플라스틱 분해능력 시험을 위해 3가지 플라스틱을 각각 반추위 액체에 1~3일간 배양했다. 결과는 세 가지 플라스틱 모두 분해되었다. PEF가 다른 두 플라스틱보다 훨씬 잘 분해되는 것으로 나타났다.

연구진은 반추동물에서 추출된 DNA를 분석해 미생물을 분석했다. 박테리아인 세균이 98%로 가장 많았고 나머지는 진핵생물(1%)과 고세균(0.9%), 바이러스(0.1%) 순으로 검출됐다. 세균계로는 프로테오박테리아(Proteobacteria) 문이 가장 우세했고 박테로이데테스(Bacteroidetes), 퍼미큐티스(Firmicutes), 액티노박테리아(Actinobacteria) 등이 뒤를 이었다.프로테오 박테리아 문에서는 슈도모나스(Pseudomonas)속이 가장 많았고, 다음으로 아시네토박터(Acinetobacter)가 검출됐다. 지난 연구에서 슈도모나스종은 PET 가수분해를 위해 에스테라제, 리파아제, 큐티나제 등의 가수분해효소를 활성화하는 것으로 알려져 있다. 반추 중 발견된 종은 메틸케톤 분해에 관여하는 슈도모나스 베로니(Pseudomonas veroni)다.

슈도모나스 베로니(P. veroni). 소반추 중에서 가장 많이 존재하는 것으로 확인되었다.© 라이프니츠 연구소 DSMZ-Deutsche 삼성 von Microorganismenund Zellkulturen GmbH

되새기다가 발견된 미생물 가운데 고세균도 포함돼 있다. 고온과 강한 산성도, 염도 등 극한 환경에서 생존하는 고세균이 효소를 통해 폴리에스테르를 분해하는 것으로 확인됐지만 추가 연구가 필요하다고 연구진은 밝혔다. 검출된 고세균은 메타노콜프스크질라브리아누스(Methanocorpusculumlabreanum)와 메타노콜라큘라(Methanoregulasp.) 종이다.

폴리에틸렌 등 강한 결합분해하는 박테리아 효소 연구 필요 연구진은 반추액에서 한 유형의 효소만 작용한 것이 아니라 서로 다른 효소가 분해와 관련해 상승작용을 한 것으로 추정했다. 연구진은 소반냉지에서 플라스틱을 분해하는 박테리아를 식별하고 플라스틱을 가수분해하는 데 사용할 특정 효소를 찾을 계획이다. 효소가 식별되면 소 위에서 직접 미생물을 수집할 필요 없이 유전적 조작으로 대량 생산이 가능하다.

또 향후 폴리에틸렌과 폴리프로필렌 등 탄소 간 강한 결합의 폴리머 분해를 연구할 계획이다. 이러한 구조는 가수분해 효소의 능력을 제한하는 것으로 알려져 있다. 리비티 박사는 반추위 내에서 폴리프로필렌이나 폴리에틸렌 분해효소를 찾기를 희망한다고 지속적인 연구계획을 밝혔다.이번 연구를 비롯해 전 세계 과학자들은 박테리아를 통한 효소로 플라스틱 문제를 해결하려는 연구에 관심이 높다. 지난해 6월 김대환 대구경북과학기술원(DGIST) 기초학부 교수 연구진은 미국 대왕거북 유충인 ‘슈퍼웜’ 체내 장액에서 플라스틱 소재인 폴리스티렌을 분해하는 사실을 발견한 사례도 있다. 박테리아 슈도모나스속 셀린계 가수분해효소가 작용한 것으로 확인됐다.

지난해 김대환 대구경북과학기술원(DGIST) 기초학부 교수 연구진은 미국 대왕조개 유충인 슈퍼웜의 체내에서 폴리스티렌을 생분해하는 박테리아를 처음 발견해 미국화학회(ACS) ‘Weekly PressPac’에 선정됐다.ⓒDGIST 효소를 통해 폴리머 분해가 가능하다면 재결합을 통해 플라스틱 재활용도 가능하다. 과학자들은 효소를 조작해 특정 플라스틱을 순수한 단량체로 분해한 뒤 새로운 플라스틱으로 재활용하는 시스템을 연구 중이다. 산업화 움직임도 보인다. 프랑스 회사인 카바이오스(Carbios)는 플라스틱 섬유 재활용 기술로 효소 생산 공장을 올해 지을 계획이라고 한다.

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