이상엽 KAIST 특훈교수 연구진 연구 결과
의류, 신발에 쓰는 플라스틱과 유사 물질 합성

대장균 현미경 사진. 한국과학기술원(KAIST) 연구진이 대장균을 이용해 생분해성 플라스틱을 생산했다./미 유타대

국내 연구진이 대장균을 활용해 생분해성 플라스틱 섬유를 만드는 기술을 개발했다. 플라스틱은 분해가 잘 되지 않아 생태계에 큰 피해를 줄 뿐아니라 원료부터 석유에서 나와 환경 오염을 가중시켰다. 대장균이 만드는 플라스틱은 자연적으로 분해되고 원료도 생물에서 얻는 유기물이어서 지속가능한 생산이 가능하다는 평가를 받았다.

이상엽 한국과학기술원(KAIST) 생명화학공학과 특훈교수 연구진은 이 같은 연구 결과를 국제 학술지 ‘네이처 화학생물학(Nature Chemical Biology)’에 18일 발표했다.

플라스틱은 2022년 기준으로 전 세계에서 연간 약 4억t씩 생산됐다. 이 중 대부분이 석유 기반의 화학 공정을 통해 생산된다. 플라스틱은 자연적으로 분해되지 않아 환경 오염의 주요 원인이 된다. 원료인 석유 제품은 생산 과정에서 온실가스를 배출한다. 과학자들은 대안으로 미생물에서 생분해성 플라스틱을 합성하는 연구를 진행하고 있다.

세균(박테리아)은 영양분을 저장하기 위해 다양한 고분자 화합물를 합성한다. 고분자 화합물은 같은 구조가 반복되는 사슬형 물질로, 플라스틱과 유사하다. 지금까지 세균을 이용해 합성섬유인 폴리에스터를 만드는 연구는 있었으나, 의류나 신발에 보편적으로 사용되는 나일론과 비슷한 플라스틱을 만드는 것은 어려웠다.

나일론은 단백질을 구성하는 아미노산과 같이 ‘아마이드 결합’으로 연결된 고분자이다. 아마이드 결합은 산소와 이중결합을 한 탄소 옆에 질소가 붙은 것을 말한다. 반면 폴리에스터는 산소와 이중결합을 한 탄소가 다른 산소와 다시 단일결합을 하는 에스터 결합물들이 사슬을 이룬 것이다. 나일론은 폴리에스터보다 강도가 뛰어나다.

연구진은 나일론과 비슷한 고분자를 만들기 위해 대장균의 유전자를 변형했다. 최종적으로 만들어진 폴리에스터아마이드(PEA)는 주로 폴리에스터로 구성됐으나 일부는 나일론과 비슷한 아마이드 결합을 포함하고 있었다. 나일론과 폴리에스터 중간 형태를 생산한 것이다. 이상엽 교수는 “나일론이 100% 아마이드 결합으로 이뤄진 고분자인 만큼 현재 기술로는 완전히 동일한 특성을 가진 플라스틱을 만들려면 연구가 더 필요하다”고 설명했다.

연구진은 실험실을 넘어 실제 대형 배양기에서 PEA를 생산하는 시험도 진행했다. 그 결과 1L당 약 55g의 PEA를 생산하면서 대량 생산이 가능하다는 점을 확인했다. 특히 이번에 만든 PEA는 식품 포장재로 널리 쓰이는 플라스틱인 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)과 유사했다. 대장균이 만드는 생분해 플라스틱은 앞으로 친환경 식품 포장재로 활용될 가능성이 크다고 볼 수 있다.

다만 산업화 단계까지는 해결해야 할 과제들이 남아있다. 대장균이 만드는 PEA는 입자 크기가 커 대장균 세포벽을 통과할 수 없다. 플라스틱을 얻으려면 대장균을 파괴해야 한다. 정제 과정이 필요하고, 원하는 형태로 만들 공정도 요구된다.

이 교수는 “현재까지는 미생물을 사용한 PEA 생산 방식이 석유 기반 플라스틱 생산보다 비용이 많이 들지만, 최적화 과정을 통해 점진적으로 생산 비용을 낮출 수 있을 것”이라고 전망했다.

참고 자료

Nature Chemical Biology(2025), DOI: https://doi.org/10.1038/s41589-025-01842-2

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