유전자 변형 박테리아, 나일론 플라스틱 분해 가능

연구자들은 토양 박테리아인 슈도모나스 푸티다(Pseudomonas putida) 종을 유전자 변형해 나일론을 분해하고 플라스틱을 고품질 소재로 전환할 수 있게 만들었다. 이를 통해 장래에 훨씬 더 많은 양의 내구성 있는 플라스틱을 재활용할 수 있게 될 것이다. 현재 나일론 폐기물의 95%가 매립되거나 소각된다. 하지만 유전자 변형 박테리아 균주를 상업적으로 사용하기 위해서는 추가적인 최적화가 필요하다고 연구팀은 인정했다.

▲ 나일론을 분해하여 귀중한 물질로 전환할 수 있도록 슈도모나스 박테리아를 유전자 변형시켰다. © Susanne Husted Nielsen

나일론으로 더 잘 알려진 합성 폴리아미드는 특히 내구성과 인장력이 뛰어나다. 이로 인해 이 소재는 스포츠웨어, 낙하산, 낚싯줄, 어망, 자동차 산업은 물론 잘 알려진 나일론 스타킹에도 많이 사용된다. 매년 전 세계적으로 약 1천만 톤의 나일론이 생산되지만, 그 중 재활용되는 것은 5%도 안 된다.

재활용의 주요 장애물

나일론의 재활용률이 낮은 이유는 반드시 정치적 의지 때문이 아니라, 주로 이 폴리머의 특성 때문이다. 기존의 재활용 방법은 이 플라스틱을 처리하는 데 프로세스가 너무 짧다. 예를 들어, 용융 및 재형성 과정을 거쳐 섬유나 플라스틱 제품으로 만드는 전통적인 기계적 재활용은 순수한 나일론 폐기물이 소량으로만 가능하다.

화학적 재활용을 통해 나일론 소재는 기본 구성 요소로 분해되고 세척된 후 새로운 플라스틱으로 다시 조립될 수 있다. 하지만 자료가 완전히 분해되지 않는 경우가 많다. 남는 것은 개별 분자와 짧은 분자 사슬의 혼합물이다. 이 혼합물은 순수한 나일론 구성 요소에 비해 더 가공하기 어렵다. 따라서 대부분의 나일론 폐기물은 매립지로 보내지거나, "유령 그물"로 바다에 떠다니거나, 소각되어 독성 물질을 방출할 수 있다.

"나일론을 먹는" 박테리아

노르트라인베스트팔렌의 율리히 연구 센터의 얀 드 비트가 이끄는 연구원들은 이제 미래에 더 많은 양의 나일론을 재활용할 수 있는 새로운 방법을 개발했다. 이를 위해 그들은 무해한 토양 박테리아인 슈도모나스 푸티다(Pseudomonas putida)를 활용했다. 과거에는 이 미생물이 석유 기반 물질과 다양한 플라스틱 단량체를 분해하는 데 유용한 것으로 입증되었다.

그러나 슈도모나스는 나일론을 자연적으로 분해할 수 없으므로 연구팀은 먼저 이 박테리아에게 이 능력을 "가르쳐야" 했다. 이를 위해 나일론 생산에 중요한 전구체인 헥사메틸렌디아민(HMDA)에서 슈도모나스 박테리아를 배양했다. 예상대로 미생물은 처음에는 이 영양 배지에서 자라지 않았지만, 5일간 배양한 후 HMDA를 ​​대사하는 능력을 갖춘 돌연변이 박테리아가 발달했다.

"일부 박테리아는 유전 물질의 무작위 돌연변이를 통해 나일론 구성 요소를 더 잘 활용하는 능력을 개발한다. 이들 세포는 다른 세포에 비해 성장 측면에서 유리하며 더 빠르게 증식할 수 있다. 실험실에서 여러 세대를 거치면서 나일론 구성 요소가 유일한 음식 공급원이 되고, 결국 박테리아 배양액은 이러한 특수 세포만으로 구성되게 됩니다."라고 수석 저자인 닉 위어크스가 설명했다.

▲ a, 가수분해와 미생물 촉매 작용을 통한 PA 바이오 업사이클링의 개념적 개요. 다양한 PA 기질에서 유래한 단량체와 대표적인 올리고머의 화학 구조를 설명한다. (출처:관련논문 Published: 10 February 2025 / Upcycling of polyamides through chemical hydrolysis and engineered Pseudomonas putida / nature microbiology)

돌연변이 추적

그런 다음 드 위트와 그의 동료들은 돌연변이된 박테리아의 유전 물질에서 어떤 변화가 있었는지 조사하여 염기쌍 9개가 삭제된 것을 발견했다. 이로 인해 DNA 가닥에는 일반적으로 박테리아의 중요한 결합 부위에 위치하는 세 개의 아미노산에 대한 지침이 부족하게 되었다. 연구팀은 이 돌연변이로 인해 슈도모나스 박테리아가 HMDA를 ​​대사할 수 있었으며, 추가로 나일론의 두 가지 다른 중요한 성분도 대사할 수 있었다는 것을 관찰했다.

연구원들은 "나일론 섭취"에 대한 책임이 있는 돌연변이를 확인한 후, 이제 이를 다른 Pseudomonas putida 세포에 특별히 통합할 수 있었다. 또한, 드 위트와 그의 팀은 나일론 분해효소라고 불리는 유전자를 박테리아의 유전체에 삽입했다. 이러한 효소는 짧은 나일론 사슬을 분해하여 식품 공급원으로 이용할 수 있게 한다.

추가 최적화가 필요하다

이러한 유전적 "업그레이드"로 인해 박테리아는 효율적인 플라스틱 섭취자가 되었다. 박테리아는 제공되는 나일론을 거의 모두 소비했고 심지어 일부를 바이오폴리에스터와 같은 고품질 물질로 전환하기도 했다. 그렇지만 우리는 그러한 돌연변이된 슈도모나스 박테리아가 언젠가 우리 다리의 나일론 스타킹을 먹어치울 것이라고 걱정할 필요는 없다. 나일론은 먼저 전처리 과정을 거쳐야 하기 때문이다

드 위트와 그의 동료들은 폴리아미드를 24시간 동안 산에 담갔다가 여과한 후 용액 형태로 박테리아에 "먹였다". 그러나 이 복잡한 전처리 과정은 유전자 변형 박테리아를 그냥 전 세계 바다에 놓아 바다에 떠다니는 “유령 그물”을 분해할 수는 없다는 것을 의미한다.

또 다른 단점은 사용 가능한 제품의 양이 결국 건조 박테리아 바이오매스의 단 7%에 불과하다는 점이다. 따라서 아직도 개선의 여지가 많이 있다. Wierckx는 박테리아가 나일론 폐기물에서 훨씬 더 높은 품질의 재료를 대량으로 생산할 수 있을 만큼 유전적으로 최적화되려면 10~30년이 걸릴 것으로 추정한다.

(Nature Microbiology, 2025; doi: 10.1038/s41564-025-01929-5)

출처: Forschungszentrum Jülich

https://www.thescienceplus.com/news/newsview.php?ncode=1065595502323200