연구가 활발했던 한 남조류 모델에서 빛과 CO₂(이산화탄소)만으로 천연플라스틱을 만들어 낼 수 있는 기술이 개발됐다.

일본 이화학연구소(RIKEN)는 광합성을 하는 미생물 ‘남조류’의 유전자를 조작해 바이오 플라스틱 ‘폴리 하이드록시 부틸산(PHB)’의 생산량을 3배 증가시켰다.

연구팀은 이전 연구에서 남조류의 탄소 대사를 제어하는 단백질 ‘Rre37’이 PHB 생산에 관여한다는 것을 알아냈다. 연구진은 세포 내에 Rre37 단백질이 많아지도록 남조류 유전자를 조작해 PHB 생산량을 2배로 증가시켰다. 추가적으로 PHB의 합성을 촉진하는 단백질 ‘SigE’도 늘려 PHB의 생산량은 3배가 됐다.

플라스틱은 화석 연료에서 생산되고, 자연에서 분해되지 않아 지속적인 활용이 가능한지 의문이 제기됐었다. 미생물이 합성하는 PHB는 천연 폴리에스테르라는 바이오 플라스틱이다. 생물에서 유래돼 생분해성을 갖기 때문에 환경오염과 자원부족 해결에 기여한다. 그동안 PHB의 생산법은 세균 배양에 사용하는 당(Glucose 등)의 가격 변동이 커 비용 부담이 있었다.

광합성을 하는 미생물 ‘남조류’는 질소(N)나 인(P) 부족 시 빛과 CO₂만으로 PHB을 합성한다. 남조류를 이용한 PHB의 생산방법이 정착되면 CO₂를 원료로 한 안정적인 플라스틱 공급이 가능하다.

연구진이 이용한 남조류 종은 ‘Synechocystis SP. PCC 6803’으로 동적 재조합으로 유전자 조작이 가능하고, 다른 조류에 비해 증식이 빠르다. PHB 합성효소 유전자의 전사 활성화 인자 단백질 ‘Rre37’은 환경 변화에 따라 세포를 적절히 변화시켜 질소 부족시 단백질 양이 증가한다.

이 남조류에서는 질소 부족 시 구연산 회로와 오르니틴 회로가 섞인 하이브리드 회로가 작동해 암모니아 2분자를 질소원으로 대사가 촉진된다.

연구진은 실용화를 위해 저렴한 남조류 배양법 및 회수법, 효율적인 PHB의 추출·정제법의 개발을 추가적으로 할 계획이다. 남조류의 PHB 생산 메커니즘의 이해, 새로운 바이오 플라스틱의 생산 증대로 이어질 것으로 기대된다.

새로운 대사 회로의 발견은 학술적 중요성뿐만 아니라, 신물질의 증산을 목표로 연구하는 대사 공학에서도 큰 의미가 있다.

이 연구는 JST 전략적 창조 연구추진사업 개인형 연구의 일환으로 미국의 과학저널 ‘Plant Physiology’ 온라인 판에 게재됐다.