Engineering phosphate-controlled poly(3-hydroxybutyrate) production in Vibrio natriegens from renewable feedstocks

플라스틱 오염은 현대 사회의 결정적인 과제이며, 수십억 톤의 합성 재료가 우리의 해양과 매립지에 축적되고 있습니다. 이러한 재료들은 내구성이 있고 유용하지만, 그 지속성은 막대한 환경적 부담을 초래합니다. 과학자들은 오랫동안 생분해성 플라스틱, 특히 폴리(3-하이드록시부티레이트) 또는 PHB라고 불리는 유형에서 해결책을 찾아왔습니다. 이 물질은 박테리아가 인간이 지방을 저장하는 것과 유사하게 에너지를 저장하기 위해 생성하는 천연 폴리에스터입니다. 석유 기반 플라스틱과 달리, PHB는 토양과 해수에서 완전히 분해됩니다. 그러나 이를 대규모로 제조하는 것은 어렵고 비용이 많이 들었습니다. 일반적으로 이 과정은 박테리아에게 값비싼 당분을 먹이고, 박테리아가 성장에서 플라스틱 제조로 전환하도록 강제하기 위해 화학적 트리거를 추가해야 합니다. 이러한 단계들은 비용을 높이고 제조 과정을 복잡하게 만들어, PHB가 기존 플라스틱을 대체하는 것을 가로막고 있습니다.

서호주 대학교와 빈 대학교의 연구진은 이제 빠르게 성장하는 해양 박테리아인 Vibrio natriegens를 사용하여 이러한 장애물을 우회하는 방법을 찾아냈습니다. 이 미생물은 매우 빠르게 성장할 수 있고 염분이 있는 물에서도 잘 번식할 수 있다는 점에서 독특하며, 이는 귀중한 담수 대신 해수를 사용하여 발효할 수 있게 해줍니다. 연구팀은 이 박테리아가 인산염(phosphate)이 부족해질 때 자연스럽게 PHB를 만들기 시작한다는 사실을 발견했습니다. 인산염은 토양과 물에서 흔히 발견되는 영양소입니다. 연구진은 박테리아가 사용 가능한 모든 인산염을 소비하도록 설계함으로써 자가 시작 시스템을 만들었습니다. 박테리아는 인산염이 존재할 때 빠르게 성장하며, 인산염이 떨어지는 즉시 화학적 스위치나 인간의 개입 없이도 자동으로 플라스틱을 생산하기 시작합니다. 이 접근 방식은 박테리아 자신의 굶주림을 정밀한 제조 제어 메커니즘으로 바꿉니다.

이 발견의 여정은 박테리아가 정확히 무엇에 의해 PHB를 만드는지 이해해야 한다는 필요성에서 시작되었습니다. 다른 박테리아들은 질소나 산소가 부족할 때 이 플라스틱을 만드는 것으로 알려져 있지만, V. natriegens에 대한 규칙은 불분명했습니다. 이를 해결하기 위해 과학자들은 박테리아 내부에 아주 작은 '빛나는 센서'를 구축했습니다. 그들은 PHB 생산을 조절하는 특정 DNA 부위에 빛을 내는 유전자를 부착했습니다. 박테리아가 특정 영양소의 결핍을 감지하면 유전자가 활성화되어 박테리아가 빛을 내게 됩니다. 연구진은 다양한 수준의 인산염과 질소가 있는 환경에서 박테리아를 테스트했습니다. 결과는 명확했습니다. 박테리아는 인산염이 부족할 때만 빛을 냈습니다. 질소 수치는 중요하지 않았습니다. 이는 이 종의 이전에 알려지지 않은 조절 패턴을 밝혀낸 중요한 발견이었으며, 인산염 기아 상태가 박테리아에게 성장을 멈추고 에너지를 플라스틱 형태로 저장하라는 구체적인 신호임을 보여주었습니다.

이 트리거가 확인되자, 팀은 플라스틱 생산 능력을 향상시키는 단계로 나아갔습니다. 그들은 자연적인 PHB 생성 유전자의 추가 복사본을 운반하도록 균주를 엔지니어링했습니다. 그들은 이 추가 유전자 세트를 박테리아 DNA의 특정 위치에 삽식하여, PHB 제조 과정에 필수적이지 않은 다른 유전자들을 대체했습니다. 이 전략은 두 가지 목적을 수행했습니다. 하나는 플라스틱 제조를 위한 지침(instruction)의 수를 늘리는 것이고, 다른 하나는 편모나 보호 코팅을 만드는 데 불필요한 에너지를 낭비하는 박테리아의 기계 장치를 제거하는 것이었습니다. 그 결과, 이 균주는 산업 폐가스나 이산화탄소로부터 만들어질 수 있는 단순한 2탄소 화합물인 아세테이트를 먹였을 때 원래의 변형되지 않은 박테리아보다 3배 더 많은 PHB를 생산했습니다. 포도당과 같은 식품 기반의 당분에서 폐기물 유래 아세테이트로 이동하는 것은 이 과정을 지속 가능하고 비용 효율적으로 만드는 데 매우 중요합니다.

이 과정을 효율적으로 규모를 키울 수 있는지 확인하기 위해, 연구진은 정확히 얼마만큼의 인산염이 초기 혼합물에 있어야 하는지 예측하는 수학적 모델을 개발했습니다. 그들은 만약 인산염이 너무 많으면 박테리아가 계속 성장하기만 하여 플라스틱을 만들기 시작하지 않을 것이라는 점을 알고 있었습니다. 반대로 너무 적으면 박테리아가 충분한 질량을 형성하여 플라스틱을 생산하기도 전에 굶어 죽을 것이었습니다. 모델은 최적의 균형을 계산하여, 플라스틱 총량을 극대화할 수 있는 초기 인산염 농도를 예측했습니다. 연구팀이 실험실에서 이 예측을 테스트했을 때, 결과는 모델과 밀접하게 일치했습니다. 그들은 배양 리터당 0.123그램의 PHB 농도를 달로 달성했으며, 이 플라스틱은 전체 박테리아 세포 무게의 60.5%를 차지했습니다. 일부 조건에서는 박테리아가 무게 대비 69.1%의 PHB 함량에 도달하기도 했습니다.

이 시스템의 다재다능함은 박테리아에게 다양한 종류의 먹이를 공급함으로써 더욱 검증되었습니다. 연구진은 아세테이트 외에도 글리세롤, 숙신산, 그리고 포도당과 과당 같은 다양한 당류를 테스트했습니다. 인산염 기아 트리거는 모든 먹이에서 작동했습니다. 박테다리아가 과당을 먹었을 때 가장 많은 플라스틱을 생산했지만, 이 스위치가 매우 다양한 먹이원 전반에서 작동한다는 사실은 큰 장점입니다. 이는 제조업체가 전체 생산 공정을 재설계할 필요 없이, 해당 지역에서 이용 가능한 가장 저렴하거나 지속 가능한 탄소원을 선택할 수 있음을 의미합니다. 박테리아는 단순히 가용한 먹이를 소비하고, 인산염이 떨어지기를 기다린 다음, 남은 에너지를 플라스틱으로 전환합니다.

가장 눈에 띄는 관찰 중 하나는 박테리아가 이 과정 동안 물리적으로 어떻게 변하는가였습니다. 인산염이 부족해지고 PHB를 저장하기 시작하면서, 세포는 현저하게 부풀어 올라 초기보다 부피가 거의 6배나 커졌습니다. 이러한 부풀어 오름은 PHB를 만들 수 없는 박테리아에서도 나타났는데, 이는 인산염의 결핍이 플라스틱 제조 과정과는 별개인 일반적인 세포 크기 변화를 일으킨다는 것을 시사합니다. 세포가 커짐에 따라 플라스틱 입자를 담을 수 있는 내부 공간이 더 많아지며, 이는 왜 최종 생성물의 함량이 높은지를 설명하는 데 도움이 됩니다. 이러한 자연스러운 확장은 세포 분열을 멈추기 위한 복잡한 엔지니어링 없이도 시스템이 매우 효율적임을 보여줍니다.

또한 연구는 먹이가 부족해지면 박테리아가 자신이 만든 플라스틱을 분해할 수 있는지 조사했습니다. 연구진은 플라스틱을 소화하는 '청소부' 역할을 할 수 있는 유전자를 박테리아 게놈에서 찾았습니다. 그들은 후보 유전자들을 찾아 삭제했지만, 탄소가 부족해지자 박테리아는 여전히 플라스틱을 분해했습니다. 이는 V. natriegens가 현재의 과학 데이터베이스로는 완전히 파악되거나 식별되지 않은 메커니즘을 통해 PHB를 분해한다는 것을 시사합니다. 이는 프로세스를 주의 깊게 관리하지 않으면 제품을 일부 잃을 수도 있음을 의미하지만, 동시에 우리가 이 유기체의 생물학에 대해 아직 배울 것이 많다는 점을 강조합니다.

궁극적으로, 이 연구는 빠르게 성장하고 염분에 강한 박테리아를 사용하여 생분해성 플라스틱을 생산하는 새로운 방법을 보여줍니다. 인산염의 자연적인 고갈에 의존함으로써, 이 과정은 값비싼 화학적 유도제와 복잡한 급여 일정을 제거합니다. 연구팀은 단순히 물속의 인산염 양을 조절함으로써 박테리아가 성장에서 생산으로 전환하는 시점을 제어할 수 있음을 보여주었습니다. 이 자율적인 시스템은 폐기물 유래 원료와 같은 피드스톡을 사용할 수 있는 능력과 결합하여, 환경 친화적이면서도 경제적으로 실행 가능한 바이오 플라스틱을 만드는 유망한 경로를 제공합니다. 이 연구는 미생물의 자연스러운 본능을 활용하여 글로벌 환경 문제를 해결하는 법, 즉 단순한 영양소 제한을 지속 가능한 제조를 위한 강력한 도구로 바꾸는 명확한 청사진을 제공합니다.