From K-snack to copolymer: Conversion of Silkworm pupa oil into poly(3- hydroxybutyrate-co-3-hydroxyhexanoate) by engineered Cupriavidus necator H16

기술 요약: 엔지니어링된 Cupriavidus necator H16을 이용한 누에 번데기 오일의 P(3HB-co-3HHx) 전환

문제 제기
누에 번데기는 한국에서 주요 식품으로 소비되어 왔으나, 특유의 외형과 냄새로 인해 소비자 수용도가 감소하고 있는 양잠 산업의 주요 부산물이다. 단백질과 지질이 풍اش한 자원이지만, 식품으로서의 활용만으로는 지속 가능한 가치 창출에 한계가 있다고 간주된다. 지질이 풍부한 잔류물인 누에 번데기 오일(SPO)은 식물성 오일과 유사한 지방산 프로파일(올레산 및 리놀레산 함량이 높음)을 보유하고 있음에도 불구하고, 산업적 응용을 위한 원료로서 아직 충분히 탐구되지 않았다. 동시에, 생분해성 폴리에스터인 폴리하이드록시알카노에이트(PHA)의 상업화는 값비싼 탄소 기질과 에너지 집약적인 다운스트림 공정으로 인한 높은 생산 비용 문제에 직면해 있다. 따라서 맞춤형 재료 특성을 가진 PHA의 효율적인 생합성을 지원할 수 있는 저비용, 재생 가능하며 지속 가능한 탄소원을 식별할 필요가 있다.

연구 방법
본 연구에서는 Pseudomonas sp. 유래 phaJ(엔오일-CoA 하이드레이스)와 Rhodococcus sp. 유래 phaC(PHA 합성효소), 그리고 고유의 phaA 및 phaB를 발현하는 플라스미드 pCB81을 보유한 엔지니어링된 Cupriavidus necator H16 균주를 사용하였다. 이러한 유전적 구성은 지질 기질로부터 poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyhexanoate) [P(3HB-co-3HHx)]를 생산할 수 있게 한다.

실험 워크플로우는 다음과 같다:

1. 기질 특성 분석: GC-MS 분석을 수행하여 SPO의 지방산 조성을 결정하였다.
2. 스크리닝 및 최적화: SPO의 적합성을 과당 및 대두유와 비교하였다. 실험을 통해 SPO 농도(0–3.0%), 질소원(무기 vs 유기), 그리고 과당 공동 공급 전략이 바이오매스 및 폴리머 축적에 미치는 영향을 평가하였다.
3. 유화 연구: SPO의 소수성 문제를 해결하기 위해, 다양한 농도의 유화제(Tween 20, Tween 80, Tween 85, SDS)를 테스트하여 기질 분산과 미생물 접근성을 개선하였다.
4. 공정 최적화: PHA 생산을 극대화하기 위해 교반 속도(0–300 rpm)와 배양 온도(25–37 °C)를 최적화하였다.
5. 특성 분석: 생성된 폴리머를 추출하여 필름으로 캐스팅한 후, 분자량(GPC), 기계적 특성(UTM), 열적 거동(DSC, TGA), 표면 소수성(접촉각) 및 Microbulbifer sp. SOL66을 이용한 생분해성을 분석하였다.

주요 결과

• 기질 적합성: SPO는 약 54%의 올레산, 29%의 리놀레산, 17%의 팔미틱산으로 구성되어 있다. 플라스크 배양에서 SPO는 과당보다 2.64배, 대두유보다 1.42배 높은 바이오매스 및 PHA 함량을 지원하였다.
• 공동 공급 전략: 1.0% 과당을 1.5% SPO 및 0.1% 요소와 함께 보충했을 때 최적의 성능을 보였다. 이 조합은 SPO 단독 사용 시보다 건조 세포 중량(DCW)과 총 PHA 축적량을 최대 20% 증가시켰으며, 과당은 초기 성장을 지원하고 SPO는 폴리머 축적을 유도하였다.
• 유화: 테스트된 계면활성제 중 Tween 20(0.10–0.15%)은 더 작고 균일하게 분산된 오일 액적을 형성함으로써 DCW와 PHA 수율을 각각 1.4배 및 1.55배 유의미하게 향상시켰다. SDS는 억제 효과가 있는 것으로 나타났다.
• 생산 지표: 최적 조건(1.0% 과당, 1.5% SPO, 0.1% 요소, 300 rpm, 30 °C, 0.1% Tween 20) 하에서, 이 공정은 17.3 g/L의 DCW, 70.2%의 PHA 함량, 11.25%의 3HHx 몰 분율(1.63 g/L의 3HHx 생성)을 달로 달성하였다.
• 재료 특성: SPO 유래 P(3HB-co-3HHx) 필름은 $9.3 \times 10^5$ Da의 수평균 분자량($M_n$)을 나타냈다. 기계적 테스트 결과 인장 강도는 $6.0 \pm 0.6$ MPa, 파단 신율은 $53.4 \pm 4.6\%$였다. 열 분석 결과 녹는점($T_m$)은 $163.9 \pm 2.4$ °C였다.
• 생분해성: 필름은 Microbulbifer sp. SOL66과 함께 배양했을 때 7일 후 약 90%의 분해가 관찰되는 빠른 생분해성을 보였다.

의의 및 주장
저자들은 본 연구가 양잠 부산물인 누에 번데기 오일을 고부가가치 바이오폴리머 생산을 위한 지속 가능하고 비용 효율적인 탄소원으로 활용할 수 있는 타당성을 입증한다고 주장한다. 본 연구는 SPO가 견고한 미생물 성장을 지원할 뿐만 아니라, 호모폴리머 PHB에 비해 개선된 재료 특성을 가진 P(3HB-co-3HHx) 공중합체 합성을 용이하게 한다는 점을 강조한다. 과당 공동 공급 및 Tween 20 매개 유화를 통해 배양 파라미터를 최적화함으로써, 본 연구는 저가치 농업 잔여물을 정의된 기계적, 열적 특성을 가진 생분해성 플라스틱으로 전환하는 경로를 구축하였다. 이 작업은 저가치 농업 잔여물을 기능성 바이오폴리머 재료로 변환하여 폐기물 관리와 석유 기반 플라스틱의 지속 가능한 대안에 대한 요구를 동시에 해결하려는 광범위한 목표를 지원한다.