플라스틱산업 사출 / 압출 / 금형 /원료

일본 이화학 연구소(RIKEN)는 광합성을 실시하는 미생물인 "남조류"의 유전자를 개변해, 바이오 플라스틱의 일종인 "폴리 하이드록시 부틸산(PHB)"의 생산량을 일반적인 남조류에 비해 약 3배 증가시키는 데 성공했다. 이것은 일본 이화학 연구소 환경 자원 과학 연구 센터 대사 시스템 연구팀 등의 연구그룹에 의한 성과이다. 

미생물에 의해 합성되는 PHB는 천연 폴리 에스테르라는 바이오 플라스틱이다. 생물 유래, 생분해성을 갖기 때문에, 환경 문제나 자원 문제의 해결에 기여할 것으로 기대되고 있다. 그러나, 그동안 PHB의 생산법은 세균 배양에 사용하는 당의 가격 변동이 커 비용 측면의 문제가 있었다. 그래서 연구 그룹은 남조류를 이용한 저렴한 비용으로 안정적인 PHB의 생산법 개발에 착수했다. 

연구팀은 이전 연구에서 환경 변화에 따라 세포를 적절히 변화시키는 "응답 레귤레이터"의 하나로 남조류의 탄소 대사를 제어하는 단백질 "Rre37"이 PHB 생산에 관여할 가능성을 발견했다. 이에 따라, 세포 내에 Rre37의 양을 증가시키는 남조류의 유전자 조작에 의해 PHB 합성을 실시했다. 그 결과, PHB의 생산량이 일반적인 남조류에 비해 약 2배로 증가했다. 또한, 연구 그룹이 이전에 발견한 PHB의 합성을 촉진하는 기능을 가지는 단백질 "SigE"를 세포 내에서 동시에 증가시킨 결과, PHB의 생산량이 약 3배로 증가하는 결과를 얻었다. 

이번 성과는 미세 조류에 의한 이산화탄소의 PHB 생산 기반 조성으로 이어지는 결과이다. 또한, Rre37는 PHB 합성뿐만 아니라 당 대사 및 새로운 하이브리드형 대사 회로를 제어한다는 흥미로운 사실도 밝혀졌다. 향후, 남조류의 PHB 생산 메커니즘의 이해, 새로운 바이오 플라스틱의 생산 증대로 이어질 것으로 기대할 수 있게 되었다. 이 연구 성과는 JST 전략적 창조 연구추진사업 개인형 연구의 일환으로 미국의 과학저널 "Plant Physiology" 온라인 판(2 월 12 일)에 게재되었다. 

플라스틱은 화석 연료에서 생산되고, 환경 중에서 분해되지 않는 등 환경 부하가 커 자원의 지속적인 활용면에서도 문제가 있다고 지적되고 있다. 한편, 바이오 플라스틱은 생물학적으로 합성되는 바이오매스 플라스틱과 환경 중에서 분해되는 생분해성 플라스틱 중 하나의 특성을 가지고 있다. 대표적인 바이오 플라스틱의 하나 폴리 하이드록시 알칸산(PHA)은 양쪽의 특성을 모두 겸비하는 소재이다. 그러나 현재는 당이나 지방을 원료로 하고 있기 때문에 가격 변동의 영향을 받기 쉽고, 생산 비용이 화석 유래의 플라스틱에 비해 높으며, 강도 · 내구성 또한 낮은 등의 문제가 있기 때문에 광범위한 이용에는 이르지 못하고 있다. 

광합성을 하는 미생물 "남조류"는 질소나 인 부족 시 빛과 이산화탄소만으로 PHA의 일종인 폴리 하이드록시 부틸산(PHB)을 합성한다(그림1). 남조류를 이용한 효율적인 PHB의 생산 방법을 확립할 수 있다면, 이산화탄소를 원료로 한 안정적인 플라스틱 공급이 가능하기 때문에 환경 문제를 해결할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 

여기서, 연구그룹은 다수의 남조류 종에서 널리 연구되고 있는 "Synechocystis SP. PCC 6803"에 착안하여 PHB의 증산을 목표로 했다. 

시네코시스티스(Synechocystis)는 동적 재조합에 의한 유전자 조작이 가능하고, 다른 조류에 비해 증식이 빠른 등 많은 장점이 있다. 또한, 연구 그룹의 기존 연구에서 PHB 합성 효소 유전자의 전사를 활성화하는 인자로 단백질 "Rre37"을 제안했다. Rre37은 환경 변화에 따라 세포를 적절히 변화시키는 "응답 레귤레이터"이며, 질소 부족시 그 양이 증가하는 것으로 알려져 있다. 

여기에서 시네코시스티스의 유전자를 개변하고 Rre37 과잉 발현주(Rre37양이 증가시킨 시네코시스티스)를 제조, 질소 결핍 후의 PHB 생산량을 조사했다. 그 결과, 대조주(일반 시네코시스티스)에 비해 PHB 생산량이 약 2배 증가했다(그림2). 

다음으로 연구 그룹이 이전에 발견한 PHB의 합성을 촉진하는 기능을 가지는 단백질 "SigE"와 Rre37의 이중 과잉 발현주(SigE과 Rre37의 양이 동시에 증가시킨 시네코시스티스)를 제조하여 PHB 생산을 조사했다. 그 결과, 대조주에 비해 PHB 생산량이 약 3배 증가하는 것으로 밝혀졌다(그림2). 

Rre37 과잉 발현에 의한 PHB 생산 증가의 원인을 조사한 결과, Rre37는 PHB의 합성뿐만 아니라, 세포 내 대사를 전체적으로 제어하고 있다는 것을 알게 되었다(그림3). PHB는 아세틸 CoA라는 물질로부터 3단계에 걸쳐 합성된다. 아세틸 CoA는 탄소 저장원인 글리코겐에서 해당계를 거쳐 공급된다. 이번 연구에 의해 Rre37은 PHB 합성 효소 유전자의 전사를 활성화하고, 글리코겐 분해 및 해당계 효소의 유전자 발현을 증가시키는 것으로 밝혀졌다. 생화학적 분석을 통해 분해 효소를 만드는 글리코겐 가인산 분해효소phosphorylase(GlgP) 유전자의 프로모터(유전자를 발현시키는 기능을 가진 염기 서열) 영역에 Rre37가 직접 결합하는 것을 알 수 있었다. 

또한 마이크로 어레이를 이용한 전사체 분석을 실시한 결과, Rre37이 PHB 합성 효소 및 글리코겐 분해 효소 이외의 효소를 제어하고 있다는 것을 알았다. 얻어진 결과를 고찰한 결과, 탄소 대사로 유명한 구연산 회로와 오르니틴 회로가 섞인 회로의 존재가 시사되었다.(그림3) 이 회로가 질소 부족 시에 작동하면 2분자의 암모니아가 질소원으로서 효율적으로 도입되어 질소 부족시의 남조류는 Rre37를 사용하여 이 "하이브리드 회로"를 촉진한다는 가능성이 시사되었다. 

이번 성과에 의해 Rre37을 사용한 새로운 PHB 생산 증대 방법이 발견되었다. 향후, 실용화를 위해 추가적인 생산량 증가를 목표로 하는 연구가 필요하다. 실용화를 위해서는 저렴한 비용의 남조류 배양법 및 회수법, 효율적인 PHB의 추출 · 정제법의 개발 등도 요구된다. 

한편, 이번 성과에 의해 새로운 대사 회로의 존재가 제안되었다. 새로운 대사 회로의 발견은 학술적 중요성뿐만 아니라, 새로운 물질의 증산을 목표로 하는 대사 공학 측면에서도 큰 의미가 있다. 이번 연구에서는 Rre37이라는 제어 인자를 해석함에 따라 남조류의 바이오 플라스틱 생산 증대라는 응용 연구와 대사 메커니즘을 해명하는 기초 연구를 동시에 진행하는 것이 가능하다는 것을 보여주었다. 

* 자료 - KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』