태평양 거대 쓰레기 지대에 대해 처음 들었을 때 나는 그것이 나쁜 농담이라고 생각했다.
그것이 현실이라는 것을 깨달았을 때 나의 불신은 곧 공포로 바뀌었다. 태평양 쓰레기 소용돌이라고도 알려진 쓰레기 패치는 북태평양에 있는 거대한 잔해 덩어리이다. 인간이 생성한 모든 종류의 폐기물로 구성되어 있지만 주요 구성 요소는 작은 미세 플라스틱 조각이다.
빨대부터 쓰레기봉투까지 우리는 엄청난 양의 플라스틱을 사용하는데, 이는 종종 섬세한 바다(및 기타) 생태계로 흘러가게 된다. 애리조나주에 본부를 둔 멸종 위기 종 보호를 위한 비영리 단체인 생물다양성센터(Centre for Biological Diversity) 에 따르면, 현재 수준으로 보면 2050년에는 플라스틱이 바다의 모든 물고기 보다 더 커질 것으로 예상된다.
새로운 연구는 합성생물학으로 흐름을 바꾸고 싶어합니다. 연구진은 유전자 회로를 박테리아 "컨소시엄"으로 설계하여 두 가지 균주를 재프로그래밍하여 오염된 플라스틱을 파괴할 뿐만 아니라 독성 폐기물을 유용한 생분해성 물질로 전환했다. 환경 친화적이고 다재다능한 이러한 업사이클 플라스틱은 환경에 더 많은 부담을 주지 않고 폼, 접착제, 심지어 나일론까지 제조하는 데 사용할 수 있다.
이 전략은 이번 연구에서 테스트된 가장 일반적인 유형의 플라스틱 중 하나인 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)에만 국한되지 않는다고 저자는 말했다. “기본 개념과 전략은 잠재적으로 다른 유형의 플라스틱에도 적용 가능하며” “지속 가능한 바이오경제”를 향한 길을 밝히기 시작할 수 있습니다.
천연 플라스틱 포식자
플라스틱은 현대 사회를 건설하는 데 도움을 주었습니다. 폴리머라고 불리는 분자 사슬로 만들어졌으며 가단성이 있고 다재다능하며 대량 생산이 경제적이다. 또한 분해하기가 매우 어렵다.
MIT의 제임스 콜린스 박사에게 합성생물학은 지구가 플라스틱 황무지로 변하는 것을 막는 데 도움이 될 수 있다. 합성 유전자 회로 공학의 선구자이자 연구 저자인 Collins와 Illinois University Urbana-Champaign의 생명공학자인 Ting Lu 박사는 유전적으로 조작된 박테리아가 플라스틱 수수께끼를 정면으로 해결할 수 있다고 추론했다.
대부분의 유기체에 독성이 있지만 플라스틱은 특정 유형의 박테리아와 곰팡이에 대한 에너지원이다. 토양, 바다, 심지어 동물의 내장에서도 발견되는 이 박테리아는 특수한 효소를 사용하여 다양한 유형의 플라스틱을 분해한다. 효소 는 생물학적 과정을 촉발하거나 가속화하는 단백질입니다 . 예를 들어 우리가 푸짐한 식사를 소화하도록 돕거나 음식을 에너지로 전환하는 데 도움을 준다.
안타깝게도 이러한 천연 균주는 온도와 산도에 민감하며 자외선이나 화학 물질에 의해 이미 손상된 플라스틱만 소화할 수 있는 경우가 많다. PET 플라스틱을 분해할 수 있는 균주도 분해 하는 데 몇 주 또는 몇 달이 걸리며 소량만 처리할 수 있다.
종합적인 업그레이드
합성생물학이 빛을 발하는 곳이 바로 여기입니다. 해당 분야의 과학자들은 유전 공학을 사용하여 유기체에 새로운 능력(예: 인슐린을 생산할 수 있는 박테리아)을 부여하거나 이전에는 자연에서 볼 수 없었던 완전히 새로운 생명체를 만들기도 한다.
최근 연구에 앞서 과학자들은 박테리아가 플라스틱을 먹는 데 사용하는 여러 효소를 파악했습니다. 그들은 유전 물질을 삽입하거나 삭제하여 대사 과정을 조작했다. 예를 들어 플라스틱을 씹는 능력을 높이거나 소화된 플라스틱 폐기물을 새롭고 친환경적인 폴리머로 바꾸는 효소를 추가하는 것이었다.
이 작업은 순조롭게 진행되지 않았다. 이전 방법은 단일 박테리아 균주에 적용됩니다. 그러나 많은 양의 잔해물에 직면하면 박테리아가 압도당하는 경우가 많다. 분해된 PET 조각이 내부에 축적되어 미생물의 신진대사를 억제하여 건강을 손상시킨다.
그 다음에는 기술적인 문제가 있습니다. 플라스틱 폐기물을 사용 가능한 제품으로 업그레이드하려면 복잡한 유전공학이 필요하다. 이를 달성하기 위해 팀은 최종 제품을 생산하기 위해 여러 효소를 연결하는 "고급 디자이너 경로"를 구축해야 한다고 설명했다. 유전자 교향곡을 지휘하는 것처럼 이 합성 업그레이드에는 박테리아의 내부 세포 활동 전반에 걸쳐 미세 조정이 필요했는데, 이는 단일 계통을 조작할 때 충분히 어려운 일이었다.
그럼에도 불구하고 그들은 한 계통이 그 일을 효율적으로 수행할 수 없는지 궁금해졌다. 팀워크는 어떻게 되나?
노동 분업
자연에서 우리는 여러 종의 미생물 군집이 플라스틱 생분해에서 함께 작동하는 것을 볼 수 있다고 팀은 말했다. 그래서 그들은 박테리아 인력을 하나의 합성 균주에서 두 개의 단순한 생태계로 확장했다.
이 생태계의 중심에는 노동 분업이 있다. PET는 크게 다른 특성을 지닌 테레프탈산과 에틸렌 글리콜이라는 두 가지 주요 구성 요소로 분해된다. 혼합 식품 공급원은 미생물의 아킬레스 건이다. 그들은 한 분자를 분해하는 경로가 종종 다른 분자의 분해 경로를 억제하는 끔찍한 대사 다중 작업자이다.
여기에서 팀은 오염된 물과 토양에서 흔히 발견되는 치토스 모양의 박테리아인 슈도모나스 푸티다(Pseudomonas putida)의 두 가지 계통으로 역동적인 듀오를 구축했다. 한 종은 테레프탈산 맛을 갖고 있었고, 다른 종은 에틸렌 글리콜 맛을 갖고 있었다. 이 특정 유형의 박테리아는 플라스틱과 고무를 만드는 데 널리 사용되는 스티렌과 같은 방향족 분자를 자연적으로 소화하기 때문에 생분해 연구에서 인기가 높다. 또한 유전적으로 조작하기 쉽고 새로운 대사 경로에 적응할 수 있어 완벽한 출발점이 된다.
연구팀은 각각의 천연 균주에서 테레프탈산이나 에틸렌 글리콜 대사에 관여하는 유전자를 삭제하고 다른 성분을 섭취할 수 있는 유전자를 추가했다.
결과는 박테리아 태그 팀이었다. 각각은 각자의 플라스틱 폐기물을 효율적으로 섭취하고, 함께 배양할 때 협력도 잘 했다. 두 균주 모두 서로의 식단을 방해하지 않았다. 둘 다 자신의 식량 공급원을 고수하고 서로 행복하게 번성했다.
이에 비해 팀은 두 가지 플라스틱 부산물을 모두 먹는 멀티 태스커 균주도 설계했다. 전문 태그 팀과 비교하여 단일 계통은 개별적으로 또는 혼합하여 제공될 때 폐기물을 소화하는 데 훨씬 더 오랜 시간이 걸렸다.
쓰레기를 보물로
이제 그들은 플라스틱 폐기물을 완전히 소화하는 박테리아를 갖게 되었고, 다음으로 팀은 여러 유전자를 통합하여 이를 새로운 물질로 변환했다.
첫째, 그들은 매우 유망한 생분해성 폴리머를 생산하기 위해 두 균주를 재배선했습니다. 이 전략은 매우 효과적이었다. 4일에 걸쳐 진행된 한 테스트에서 두 균주는 단일 균주보다 훨씬 더 빠른 속도로 원하는 폴리머를 펌핑하여 결과적으로 최대 92% 더 많은 폴리머를 생산했다.
또 다른 테스트에서 시스템은 플라스틱과 나일론을 합성하는 데 자주 사용되는 화학 물질을 효율적으로 생산했다. 이 화학 물질은 단일 계통이 플라스틱 폐기물을 사용하여 업사이클하기가 매우 어렵다. 필요한 것은 몇 번의 유전자 교환뿐이었고, 분업을 통해 목표 화학물질이 쉽게 생성되었다.
플라스틱 폐기물을 업사이클링한다는 아이디어는 새로운 것이 아니다 . 과거에 과학자들은 열, 힘, 화학 물질을 사용하여 폐기물을 분해하고 사용 가능한 물질로 재구성했다. Bioconversion은 새롭고 깨끗하며 효율적인 경로를 제공한다. 모든 반응은 미생물 내부에서 발생하며 폐기물 분해를 원하는 제품에 직접 한 단계로 연결한다. 또한 미생물은 산업용 크기의 통에서 쉽게 배양할 수 있어 플라스틱 업사이클링 규모를 확대하는 것이 가능하다.
이번 연구는 프로세스를 더욱 효율적으로 만들어 바이오 업사이클링에 대한 비전을 발전시켰다.이 연구의 핵심 통찰력은 PET 업사이클링 프로세스를 미세 조정하는 데 노동 분업이 특히 중요하다는 것이다. 도구가 더욱 발전함에 따라 그들은 합성 박테리아 생태계가 다른 플라스틱 오염물질과 폐기물을 처리하는 데에도 사용될 수 있다고 믿는다.
이미지 출처: Marc Newberry / Unsplash
