KAIST 이상엽 특훈교수
대사공학연구실 가보니
미생물에 이산화탄소 먹여
나일론 유사 플라스틱 생산
미생물 1ℓ당 54.6ｇ 만들어
환경보호∙경제성 둘 다 잡아
미생물 235가지 물질 설계도 
과학계선 세포공장의 ‘구글 맵’

이상엽 한국과학기술원(KAIST) 특훈교수 연구팀이 미생물 세포공장 관련 실험을 진행하고 있다. [사진 = KAIST]

“미생물 세포 내부를 현미경으로 들여다보면 마치 공장처럼 수많은 효소가 많은 반응을 일으키고 있어요. 이 공장으로 경제적으로 유용한 물질을 만들 수 있습니다. 우리 연구실은 이 공장을 설계하고 최적화할 수 있는 세계 최고 기술력을 갖고 있습니다.”

최근 대전 한국과학기술원(KAIST) 이상엽 특훈교수의 대사공학연구실을 찾았다. 연구실보다는 공장에 가까웠다. 부가가치가 낮은 이산화탄소와 메탄, 폐기물 등에서 생물 세포를 활용해 ‘유용한 물질’을 생산하는 ‘바이오 리파이너리’ 공장.

공장 문을 열자 책상 위에 있는 세포배양기가 가장 먼저 눈에 들어왔다. 옅은 흙탕물 같은 것이 보글보글 끓고 있었다. 이 특훈교수는 “맨눈으로 관찰할 수 없는 0.1㎜ 이하의 작은 생물인 미생물을 배양하는 중”이라며 “이 미생물은 폐목재와 잡초 등 지구상에서 가장 풍부한 바이오매스의 주원료인 포도당을 원료로 플라스틱을 생산한다”고 설명했다.

연구팀은 이미 이 미생물로 나일론 유사 플라스틱을 생산하는 데 성공했다. 나일론은 이전까지 화석연료에서만 생산할 수 있는 플라스틱이었다. 이 특훈교수 연구팀이 생산한 플라스틱은 기존 나일론과 물리적·열적·기계적 물성이 유사한 것으로 나타났다.

이런 연금술이 가능했던 것은 유전자를 편집해 기존 생명체 기능을 변경하고 새로운 생물 체계를 합성하는 기술인 ‘합성생물학’ 덕이다. 연구팀은 합성생물학으로 자연계에 존재하지 않는, 플라스틱을 생산할 수 있는 새로운 미생물을 설계했다.

이어 ‘대사공학’을 통해 미생물 플라스틱 생산공장을 최적화했다. 대사공학은 생산 경로 유전자의 과발현, 경쟁 경로 유전자의 제거, 외래 유전자의 도입 등을 통해 미생물이 가지고 있는 고유의 대사 경로를 변경시켜 원하는 산물 생산을 극대화하는 기술이다. 개발한 미생물은 플라스틱 9종을, 미생물 1ℓ당 54.6ｇ을 생산한다.

이 특훈교수는 “합성생물학 기법으로 세포공장을 설계하고 대사공학으로 공장을 최적화하는 것”이라며 “새로이 만든 미생물은 높은 플라스틱 생산 효율을 보여 추후 산업화 가능성도 입증했다”고 말했다.

이날 연구실에서는 새 공장 구축에도 한창이었다. 하얀 가운을 입은 한 연구원이 현미경에 눈을 대고 있었다. 직접 자리에 앉아 현미경을 들여다보니 무언가 활달히 꿈틀거리고 있었다.

미생물 [사진 = 이상엽 한국과학기술원(KAIST) 특훈교수팀]

이 특훈교수는 “지구온난화의 주범인 이산화탄소를 먹이로 플라스틱을 생산하는 미생물”이라며 “이산화탄소를 이용해 화석연료를 쓰지 않고 플라스틱을 경제성 있게 생산할 수 있다면 이산화탄소를 줄이는 동시에 유용한 물질도 얻는 두 마리 토끼를 잡을 수 있다”고 강조했다. 생분해되는 바이오 플라스틱이기에 환경오염 우려도 훨씬 적다.

그러나 이산화탄소를 원료로 한 플라스틱 생산은 아직 석유화학 공정보다 비쌀 뿐 아니라 물성도 기존 플라스틱에 미치지 못한다. 또 석유화학 공정에서 생산할 수 있는 폴리에스터, 폴리아마이드, 폴리우레탄 등 여러 종류의 플라스틱 생산도 불가능하다. 이 특훈교수가 이를 ‘그랜드퀘스트’로 꼽은 이유다.

미생물이 이산화탄소를 원료로 플라스틱을 경제성 있게 생산하려면 이산화탄소가 세포 안으로 들어와 고정돼야 한다. 이 특훈교수는 “이 과정에선 효소가 큰 역할을 하는데, 이산화탄소를 고정할 수 있는 효소가 30종 넘게 발견됐으나 아직까지 효율이 높지 않다”며 “이 부분 외에 이산화탄소로부터 효율적으로 성장할 수 있는 미생물을 만드는 것도 과제”라고 말했다.

이상엽(가운데) 한국과학기술원(KAIST) 특훈교수 연구팀이 플라스틱을 생산하는 미생물을 배양 중이다. [사진 = KAIST]

합성생물학과 대사공학 연구의 최첨단을 달려온 이 특훈교수 연구실은 지난해 30주년을 맞았다. 그간 개발한 세포공장이 무수히 많다. 식품·의약품 합성에 사용되는 중요 화학물질인 ‘숙신산’ 세포공장 등이 대표적이다.

최근 미생물 5종으로 235가지 화학물질을 생산하는 세포공장을 가동할 수 있다는 사실도 밝혀냈다. 개발한 세포공장들을 통합한 설계도는 과학계에서 ‘미생물 세포공장의 구글 맵’으로 통한다.

연구팀은 그간의 노하우를 기반으로 이산화탄소와 미생물을 이용해 플라스틱을 생산하면서 현재 석유화학 공정 수준의 경제성과 효율을 구현하는 세포공장도 만들 수 있다고 자신하고 있다.

이상엽 한국과학기술원(KAIST) 특훈교수가 이산화탄소를 원료로 플라스틱을 경제적으로 생산하는 미생물에 대해 설명하고 있다. [사진 = KAIST]

이 특훈교수는 “한국을 필두로 미국과 독일, 이스라엘 등의 연구팀이 이 분야에서 경쟁 중”이라며 “플라스틱을 이산화탄소를 원료로 석유화학제품과 비슷하거나 더 경제적으로 만들 수 있는 방법을 찾아내기 위한 본격적인 게임이 시작됐다”고 말했다.

이 특훈교수가 전망하는 미래는 이렇다. 한 해 배출하는 온실가스가 약 3000만t, 국내 총배출량의 약 5%에 해당하는 양을 뿜어내는 포항제철소. 미래에는 포항제철소 옆에 미생물 세포공장이 설치된다. 철을 생산하며 나온 이산화탄소로 플라스틱까지 생산하는 공장이다.

이 특훈교수는 “철과 플라스틱을 모두 친환경적으로, 경제적으로 생산하게 되는 것”이라며 “기존 석유화학산업의 상당 부분을 대체하는 것은 물론이고 지속가능한 방향으로 신산업을 창출할 수 있다. 이런 대체 불가 과학기술을 우리는 확보해야 한다”고 강조했다.

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