Engineering Cupriavidus necator for medium-chain-length polyhydroxyalkanoate production under two-stage fed-batch fermentation

자연적으로 분해되는 플라스틱을 만드는 것은 매립지와 해양을 막고 있는 지속적인 소재들을 대체하고자 하는 과학자들의 오랜 목표였습니다. 가장 유망한 후보 중 하나는 폴리하이드록시알카노에이트(polyhydroxyalkanoates), 즉 PHA라고 불리는 생분해성 플라스틱 제품군입니다. 이것들은 실험실에서 제조된 합성 화학 물질이 아니라, 특정 박테리아가 필요 이상의 먹이를 가졌을 때 생성하는 천연 저장 물질입니다. 이 박테리아들을 세포 내부에 플라스틱 과립 형태로 에너지를 비축하는 작은 공장이라고 생각하면 됩니다. 생성되는 플라스틱의 특성은 그 사슬을 구성하는 기본 단위인 단량체(monomer)에 크게 좌우됩니다. 짧은 단위는 쉽게 부러지는 딱딱하고 잘 부서지는 재질을 만드는 반면, 더 긴 단위는 유연성과 신축성을 부여하여 플라스틱을 고무와 더 비슷하게 만듭니다. 수십 년 동안 연구자들은 이 가장 효율적인 박테리아가 이러한 더 길고 유연한 단위를 생산하도록 만드는 데 어려움을 겪어 왔으며, 이는 이 친환경 소재의 활용 범위를 제한해 왔습니다.

태국 국립과학기술개발청의 연구팀은 이 문제를 해결하는 데 있어 중요한 진전을 이루었습니다. 그들은 다양한 폐기물을 플라스틱으로 바꾸는 능력으로 유명한 Cupriavidus necator라는 잘 알려진 박테리아를 활용했습니다. 그러나 이 본래의 박테리아는 자연적으로 짧고 부서지기 쉬운 단위만을 생산합니다. 이를 변화시키기 위해, 과학자들은 길고 유연한 단위를 조립하는 능력이 있는 것으로 알려진 다른 종류의 박테리아인 Pseudomonas putida로부터 특정 유전자를 추가하여 박테리아를 설계했습니다. 이 유전적 변형은 연구진이 mcl-C19라고 명명한 새로운 균주를 만들어냈습니다. 이 새로운 균주에 당밀과 폐식용유 혼합물을 먹였을 때, 이들은 짧고 딱딱한 단위와 더 길고 유연한 단위를 모두 포함하는 하이브리드 플라스틱을 생산하기 시작했습니다. 이러한 조합은 결과적으로 더 넓은 범위의 특성을 가진 재료를 만들어냈으며, 이는 잠재적으로 원래의 박테리아가 생산하던 부서지기 쉬운 버전보다 훨씬 더 많은 응용 분야에 유용하게 쓰일 수 있음을 의미합니다.

연구진은 단순히 새로운 균주를 만드는 데 그치지 않고, 생산을 극대화하기 위한 구체적인 급여 전략도 개발했습니다. 박테리아는 세포를 성장시키기 위해 균형 잡힌 식단이 필요하지만, 탄소는 풍부하면서도 특정 영양소가 결핍되었을 때 비로소 플라스틱을 축적하기 시작합니다. 이를 활용하기 위해 연구팀은 2단계 공정을 사용했습니다. 첫 번째 단계에서는 박테리아가 빠르게 증식하고 큰 개체군을 형성할 수 있도록 영양분이 풍부한 혼합물을 공급했습니다. 개체군이 높아지자, 그들은 두 번째 단계로 전환하여 질소를 추가하지 않은 채 탄소가 풍មាន한 음식, 즉 당밀과 폐식용유를 펄스 형태로 공급했습니다. 이는 박테리아가 새로운 세포를 성장시키는 대신 에너지를 플라스틱을 만드는 데 돌리도록 강요하는 불균형한 환경을 조성했습니다. 대형 탱크 안에서 이 과정을 정밀하게 제어함으로써, 설계된 박테리아는 리터당 13그램이라는 엄청난 양의 플라스틱을 축적했으며, 이는 전체 세포 무게의 거의 절반에 달하는 수치였습니다.

이 성과를 특히 주목할 만하게 만드는 것은 생산된 플라스키의 다양성입니다. 설계된 박테리아는 단 한 종류의 긴 단위만을 만든 것이 아니라, 탄소 4개짜리 짧은 사슬부터 탄소 10개짜리 긴 사슬까지 6가지의 서로 다른 유형의 단위를 포함하는 복잡한 혼합물을 만들어냈습니다. 이 다양한 단위의 혼합 비율은 박테리아에게 어떻게 먹이를 주느냐에 따라 달라졌습니다. 연구진이 모든 것을 한꺼번에 투입하는 단순 배치(batch) 공정을 사용했을 때는 플라스틱이 하나의 구성을 가졌습니다. 반면, 2단계 펄스 급여 방식을 사용했을 때는 서로 다른 단위의 비율이 변화했습니다. 이는 과학자들이 급여 일정과 사용하는 폐기물 음식의 종류를 조절함으로써 플라스틱의 물리적 특성(더 딱딱하게 혹은 더 잘 늘어나게)을 미세하게 조정할 수 있음을 시사합니다. 이 연구는 당밀과 폐식용유 혼합물을 사용하는 것이 원하는 긴 사슬 단위를 생성하는 데 가장 효과적임을 확인했으며, 새로운 균주는 변형되지 않은 모체 균주보다 유연한 성분을 4배 더 많이 생산했습니다.

이 작업은 또한 이 공정이 작은 플라스크에서 대규모 산업용 바이오리액터로 규모를 키워도 효율성을 잃지 않는다는 것을 입증했습니다. 2리터 탱크에서의 결과는 더 작은 용기에서의 결과와 거의 동일했으며, 이는 이 방법이 대량 생산에 적합할 만큼 견고하다는 것을 나타냅니다. 생산된 플라스틱의 양은 높았지만, 연구진은 세포 무게 중 플라스틱이 차지하는 비율은 여전히 개선될 수 있다고 언급했습니다. 그들은 박테리아가 다른 세포 구성 요소보다 자원을 플라스틱으로 더 많이 전환하도록 밀어붙이기 위해 추가적인 유전적 수정이 필요할 수 있음을 인정했습니다. 그러나 현재의 결과는 간단한 유전적 변화와 스마트한 급여 전략을 결함함으로써, 흔한 폐기물을 특정 요구에 맞게 맞춤 제작할 수 있는 다재다능한 생분해성 플라스틱으로 바꿀 수 있다는 것을 보여줍니다. 이 접근 방식은 플라스틱 생산이 재생 가능한 자원에 의존하고 환경으로 안전하게 돌아갈 수 있는 재료를 생성하는 바이오 기반 경제를 향한 실질적인 경로를 제공합니다.