미생물 세포 공장에서 핫멜트 접착제 생산 모식도 / 사진. 카이스트

카이스트(KAIST) 생명화학공학과 이상엽 특훈교수 연구팀이 대장균의 유전자와 대사과정을 조절해 포도당으로부터 새로운 바이오 기반 고분자를 생산하는 ‘미생물 세포공장’을 개발했다.연구팀은 시스템대사공학을 활용해 대장균의 대사경로를 재설계하고, 포도당으로부터 폴리하이드록시알카노에이트(이하 PHA) 계열 고분자인 poly(4HB-co-PhLA)와 poly(3HB-co-4HB-co-PhLA)를 생산하는 데 성공했다.

핫멜트 접착제는 열을 가하면 녹고 냉각하면 굳는 방식으로 접착하는 소재로, 별도의 유기용매 없이 빠르게 접착할 수 있어 포장재와 가구, 전자제품, 자동차, 건축자재 등에서 폭넓게 활용되고 있다. 그러나 현재 사용되는 핫멜트 접착제 상당수는 에틸렌-비닐아세테이트(이하 EVA) 등 석유 유래 고분자를 기반으로 해 폐기 과정에서 환경 부담이 발생할 수 있다.

연구팀은 재생 가능한 원료로 생산할 수 있는 생분해성 고분자 PHA에 주목했다. PHA는 구성 성분과 비율을 조절함으로써 유연성이나 강도, 내열성 등 다양한 물성을 변화시킬 수 있다는 특징이 있다.

연구팀은 4-하이드록시부티레이트(이하 4HB)와 페닐락테이트(이하 PhLA)를 고분자 구성 성분으로 활용했다. 4HB는 소재의 유연성과 접착성을 높이는 역할을 하고, PhLA는 단단함과 내열성을 높이는 방향으로 작용하도록 설계했다.

두 성분의 비율에 따라 고분자의 열적 특성과 접착 성능이 달라졌으며, 4HB가 약 24~34몰% 포함됐을 때 우수한 접착 성능을 나타냈다.

이를 구현하기 위해 연구팀은 대장균 내부에서 포도당으로부터 4HB와 PhLA를 생산하고, 이들이 하나의 고분자로 연결되도록 대사경로를 설계했다. 여러 물질을 동시에 생산하면서 발생할 수 있는 대사 불균형을 해소하기 위해 유전자 발현의 세기와 시점을 조절하고 CoA 전달효소를 추가했다. 또한 게놈 규모 대사모델을 활용해 세포 내 대사과정을 분석하고, 원료 부족이나 생산 병목이 발생하는 경로를 찾아 최적화했다.

최적화한 균주를 이용해 유가식 발효를 진행한 결과 poly(4HB-co-PhLA)는 배양액 1리터당 10.2g, poly(3HB-co-4HB-co-PhLA)는 52.8g까지 생산됐다.

연구팀은 생산된 고분자의 실제 접착제 활용 가능성도 평가했다. poly(4HB-co-PhLA)는 스테인리스강 전단 접착 시험에서 4.58MPa의 접착력을 기록해 비교 대상으로 사용한 상용 EVA 접착제의 4.20MPa보다 높은 수치를 나타냈다. poly(3HB-co-4HB-co-PhLA)는 목재 접착 시험에서 상용 EVA와 비슷한 수준의 성능을 보였다.

반복적으로 녹였다가 다시 접착하는 과정에서도 poly(4HB-co-PhLA)는 상당한 수준의 접착력을 유지했다. PhLA를 도입하면서 열적 특성 역시 향상된 것으로 확인됐다.

연구팀은 새롭게 개발한 고분자의 생분해 가능성도 확인했다. 리파아제를 처리한 결과 고분자 표면이 손상되고 분자량과 전체 질량이 감소했다. 이를 통해 방향족 PHA가 효소에 의해 분해될 수 있음을 확인했다.

이번 연구는 미생물의 대사경로를 설계해 원하는 물성을 가진 기능성 고분자를 생산할 수 있음을 보여줬다는 점에서 의미가 있다. 특히 접착력과 유연성, 내열성 등 요구되는 특성에 따라 고분자 조성을 조절하고 이를 미생물 기반으로 생산할 수 있다는 가능성을 제시했다.

향후에는 접착제뿐만 아니라 기존 석유화학 공정에 의존해 생산해온 다양한 기능성 고분자를 포도당과 같은 재생 가능한 원료로 제조하는 바이오제조 기술로의 확장도 기대된다.