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미생물이 플라스틱 만드는 과정 처음 관찰했다

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미생물이 플라스틱 만드는 과정 처음 관찰했다

2021.07.27 13:27
이상엽 KAIST 생명화학공학과 특훈교수(왼쪽)와 박용근 물리학과 석좌교수 공동연구팀은 3차원 홀로그래픽 현미경 기술을 이용해 미생물이 바이오 플라스틱을 만드는 과정을 실시간 관찰하는 데 성공했다. KAIST 제공
이상엽 KAIST 생명화학공학과 특훈교수(왼쪽)와 박용근 물리학과 석좌교수 공동연구팀은 3차원 홀로그래픽 현미경 기술을 이용해 미생물이 바이오 플라스틱을 만드는 과정을 실시간 관찰하는 데 성공했다. KAIST 제공

미생물이 살아있는 상태에서 친환경 바이오 플라스틱을 만드는 과정이 처음으로 관찰됐다. 미생물로 생산한 바이오 플라스틱이 상용화되는 가운데 바이오 플라스틱 생산 공정을 고도화하는 데 도움을 줄 것으로 기대된다.

 

이상엽 KAIST 생명화학공학과 특훈교수와 박용근 물리학과 석좌교수 공동연구팀은 3차원 홀로그래픽 현미경 기술을 이용해 미생물이 바이오 플라스틱을 만드는 과정을 실시간 관찰하는 데 성공했다고 27일 밝혔다. 연구결과는 이날 국제학술지 ‘미국국립과학원회보(PNAS)’에 발표됐다.

 

폐플라스틱 환경오염 문제가 심각해지면서 이를 대체하기 위한 다양한 기술이 연구되고 있다.

 

그중 미생물로부터 만들어지는 폴리에스테르인 폴리하이드록시알카노에이트(PHA)는 기존 합성 플라스틱을 대체할 친환경 바이오 플라스틱으로 관심받는다. PHA는 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌 같은 플라스틱과 특성이 비슷해 용기 포장재나 비닐, 일회용품으로 만들 수 있다. 토양이나 환경에서 생물이 분해할 수 있는 고분자인 것도 장점이다. CJ제일제당이 PHA를 생산해 식품 포장에 활용하는 등 상용화도 진행중이다.

 

PHA는 미생물 내에서 녹지 않는 작은 알갱이(과립) 형태로 발견된다. 미생물이 환경 변화나 세포 상태에 따라 에너지원으로 세포 속에 축적한다. PHA가 세포 속에 쌓이는 원리를 관찰하면 바이오 플라스틱을 만드는 데 도움을 줄 수 있다. 하지만 형광 현미경이나 투과전자현미경 같은 세포 속을 보는 기술은 2차원 영상만 제공하거나 형광 물질 등이 필요해 실제 살아있는 세포가 플라스틱을 만드는 과정을 보기 어려웠다.

 

연구팀은 3차원 홀로그래픽 현미경 기술을 이용해 PHA를 만드는 박테리아를 관찰했다. 3차원 홀로그래픽 현미경은 물질의 굴절률로 형태를 파악하기 때문에 형광 현미경에 필요한 염색이 필요하지 않다. 또 살아있는 세포의 3차원 정보를 볼 수 있다. 이를 통해 연구팀은 PHA의 한 종류인 폴리하이드록시부티네이트(PHB)를 만드는 미생물 ‘쿠프리아비두스 네카로트’와 이 미생물의 PHB 합성 대사회로 유전자를 가지도록 재조합한 대장균을 분석했다.

 

KAIST 제공
3차원 홀로그래픽 현미경 기술은 여러 각도로 레이저를 쏘아 산란된 빛을 관찰해 굴절률을 관측하고 이를 토대로 세포 내부 구조 등을 밝혀내는 기술이다. 연구팀은 이를 이용해 박테리아가 PHA를 만드는 과정을 실시간 관찰했다. KAIST 제공

연구팀은 수백 개 박테리아를 관찰하고 부피와 질량, 밀도, 분포 등 정량 분석했다. 실시간 모니터링을 통해 최대 8시간 동안 세포가 과립을 어떻게 만드는지 3차원으로 보여주는 영상도 얻었다. 이를 통해 두 박테리아 종이 PHA 과립을 어떻게 만들고 배치하는지를 찾아냈다. 연구팀은 자연 균과 인공 대장균의 차이를 줄여주는 단백질을 발견해 단백질이 PHA 생산에 영향을 주는 것도 확인했다.

 

연구 1저자인 최소영 KAIST 생명화학공학과 연구조교수는 “실제 세포 내에 바이오플라스틱 덩어리가 어떻게 존재하는지 몰랐는데 이번에 관찰 방법을 개발하면서 세포 내 고분자 양을 정량적으로 분석할 수 있게 됐다”며 “예를 들어 밀도가 높다고 하면 세포 내에 플라스틱이 얼마나 뭉쳐질 수 있는지 관찰할 수 있다”고 설명했다.

 

이 특훈교수는 “이번 연구를 통해 미생물의 PHA 생산 원리에 대해 더욱 깊은 이해가 가능해졌다”며 “생물학과 물리학의 융합연구로 이뤄진 성과라는 데 큰 의의가 있으며 향후 다양한 바이오 플라스틱 생산 공정 개발에 큰 도움이 될 것”이라고 말했다.

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