리그닌 구성성분을 원료로 한 바이오 플라스틱의 미생물 생산 :: 전체

이화학연구소는 식물을 구성하는 성분인 리그닌의 분해물을 미생물에 의해 바이오 플라스틱의 일종인 폴리하이드록시알칸산(polyhydroxy alkanoic acid, PHA)로 합성하는데 성공하였다. 이것은 이화학연구소 환경자원과학연구센터 바이오매스공학연대부문 효소연구팀과 주식회사 카네카의 GP사업개발부가 공동연구로 얻어진 성과이다.

화석연료에 의존한 사회로부터 환경순환형 사회로 전환하기 위해서는 화석자원을 대체할 수 있는 기술을 다양한 분야에서 확립할 필요가 있다. 에너지분야에서는 태양전지를 비롯한 다양한 대체에너지 생산기술이 연구되고 있으며, 실용화도 이루어지고 있다. 한편 재료분야에서는 석유로부터 합성한 플라스틱의 대체재료가 아직 확립되어 있지 않다.

이러한 가운데 석유에서 유래된 플라스틱의 대체재료 중 유력한 후보로 주목을 받고 있는 것이 바이오 플라스틱이다. 이미 제품으로서 보급이 추진되고 있는 바이오 플라스틱에는 폴리유산이 있다. 생물 유래의 자원(바이오매스)을 주요 원료로 하는 바이오 플라스틱은 지금까지 대기 중의 이산화탄소의 양을 총체적으로 증가시키지 않는 “카본 중립”이라는 관점이 강조되어 왔지만, 실용화를 위한 몇 가지 과제가 있었다. 그 중 하나가 식량계 바이오매스를 원료로 하여 바이오 플라스틱을 생산함으로써 발생하는 식량문제의 악화이다. 이것을 회피하기 위해서는 식량생산과 경합하지 않는 비식량, 미이용 바이오매스를 원료로 한 플라스틱을 합성하는 것이 바람직하다.

미이용 식물성 바이오매스로서 알려진 리그닌은 식물의 세포벽에 많이 존재하고, 방향족화합물로 구성된 고분자 화합물이다. 리그닌의 구성성분인 p-쿠마르산(coumaric acid), 커피산(caffeic acid), 페룰산(ferulic acid), 시나핀산(sinapinic acid) 등 리그닌 유도체는 스핀고모나스(Sphingomonas)속 및 슈도모나스(Pseudomonas)속의 미생물 세포 내에서 방향족 카르본산을 거쳐 피루브산(pyruvic acid) 및 옥살로아세트산(oxaloacetic acid), 숙신산(succinic acid)으로 변환되는 것으로 알려져 있다. 그리고 피루브산에서 유도된 아세틸-CoA(acetyl-CoA)는 PHA의 전구체 중 하나이다. 이것은 미생물을 이용하여 미이용 바이오매스 대표격인 리그닌을 원료로 하고 PHA와 같은 바이오 플라스틱을 미생물에 의해 합성하는 것을 목표로 하고 있다.

공동연구그룹은 우선 PHA를 높은 효율로 합성하는 미생물을 탐색하기 위해 11종의 미생물을 리그닌 유도체와 방향족 카르본산을 단일탄소원으로 포함하는 무기염 배지에서 배양하고, 각 미생물의 증식을 평가하였다. 그 결과 방향족 카르본산 중 하나인 4-히드록시벤조산(hydroxybenzoic acid, 4-HBA)의 존재 하에서 PHA의 생산주로서 유명한 랄스토니아 유트로파(Ralstonia eutropha H16)가 비교적 양환 증식을 나타내었다.

그리고 랄스토니아 유트로파 H16의 PHA 합성 능력을 검토하기 위해 증식, PHA의 축적량 및 상성된 PHA의 화학구조를 해석하였다. 랄스토니아 유트로파 H16을 성장시키기 쉬운 부영양배지에서 증식시킨 후에 무기염 배지로 배지를 바꿔 배양하는 2단계 배양을 수행하였다.

그 결과 랄스토니아 유트로파 H16의 건조균 중량은 0.69g/L이며, PHA를 63wt% 축적한다는 것을 밝혀내었다. 2단계 배양에서는 2,5?dihydroxybenzoic acid와 3,4?dihydroxybenzoic acid를 탄소원으로 한 경우 PHA의 축적을 확인할 수 있었으며, PHA 축적률은 26wt%와 13wt%이었다. 정제 후에 얻어진 PHA는 당 및 식물유를 원료로 하여 합성한 PHA에 비해 분자량이 약간 적지만, 필름 등 플라스틱 제품으로서 이용 가능한 물성을 나타내었다. 얻어진 결과를 대사경로와 함께 고찰한 결과, 랄스토니아 유트로파 H16에서는 리그닌 유도체로부터 방향족 카르본산으로 변환하는 경로가 리그니 유도체를 PHA로 변활 경우 병목현상이 발생한다는 것으로 밝혀져, 대사경로를 바꿈으로써 PHA 생산성을 더욱 개선할 수 있었다.

* 자료 - KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』