▲ 효소에 의해 플라스틱 폐기물이 생분해 되는 과정

국내 연구진이 폐기물 처리에 사용됐던 값비싼 촉매를 대체할 수 있는 친환경적인 기술을 개발해 플라스틱 순환경제에 기여할 전망이다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 청정에너지연구센터 안정호 박사 연구팀은 미생물에서 유래한 효소를 이용해 폴리에틸렌(polyethylene)을 생분해하는 기술을 개발했다고 8일 밝혔다.

폴리에틸렌은 매년 생산되는 플라스틱 중에서 35%를 차지하며, 주로 포장재, 비닐봉지 등 다양한 용도로 사용되는 난분해성 플라스틱이다. 일반적으로 해양이나 토양에 버려진 폴리에틸렌은 태양광에 의해 산화된 형태로 존재하는데, 연구팀은 산화된 폴리에틸렌을 분해하는 효소를 최초로 발굴하는 데 성공했다.

연구팀은 합성고분자인 폴리에틸렌과 화학적으로 유사한 구조를 가진 지질을 분해하는 효소를 유력한 후보로 판단했다. 이후 합성생물학을 기반으로 지질 분해 효소 정제 및 생산 공정을 개발해 Pelosinus fermentans lipase 1(PFL1)을 발굴했다.

혐기성 세균인 펠로시누스 퍼멘탄스(Pelosinus fermentans)에서 유래한 이 지질 분해 효소를 폴리에틸렌에 처리한 결과, 생분해 정도를 나타내는 중량평균분자량이 44.6%, 수평균분자량이 11.3% 감소했다. 또한, 전자현미경으로 분해된 폴리에틸렌 표면에 찢어짐과 갈라짐이 발생한 것을 관찰해 효소에 의한 폴리에틸렌의 생분해 과정을 확인했다.

연구팀은 PFL1과 폴리에틸렌 간의 상호작용을 컴퓨터 시뮬레이션으로 분석해 폴리에틸렌의 생분해 메커니즘을 최초로 규명했다. 분해능을 가진 PFL1 효소가 폴리에틸렌 표면에 강하게 결합된 후 폴리에틸렌을 작은 조각으로 분해하는 것을 확인했다. 이러한 분석 결과는 PFL1 효소의 물성 향상 및 새로운 플라스틱 생분해 효소 탐색에도 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

플라스틱 폐기물 처리를 위해 지금까지 사용되는 소각 및 화학적 분해법은 분해 과정에서 유독 물질이 생성되고 값비싼 촉매를 사용해야 했다. 그러나 PFL1 효소는 재생가능한 원료로 대량생산이 가능하고 유독 물질이 발생하지 않는 친환경적인 기술이다. 또한, 생분해 과정에서 만들어지는 알코올, 카복실산 등은 플라스틱 재합성이나 화학 소재 생산에 활용될 수 있다.

KIST 안정호 박사는 “이번에 새로 발굴된 효소는 기존에 처리가 곤란했던 난분해성 플라스틱 폐기물의 생분해 가능성을 보여주었다”라며, “기술의 상업화를 통해 포화상태에 이른 쓰레기 매립지 문제를 해결하고 지속가능한 플라스틱 순환경제를 달성하겠다”라고 말했다.

한편 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원을 받아 KIST 주요사업, 창의형 융합연구사업(CAP20024-300) 및 원자력 연구개발사업 RS-2022-00156234)으로 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 「Bioresource Technology」 (IF 11.1, JCR 분야 2.5%) 최신호에 게재됐다.