매립지와 퇴비 박테리아에서 발견된 새로운 효소, 발포 플라스틱과 나일론을 분해하다

연구자들은 새로운 플라스틱 분해 효소를 찾기 위해 케냐의 한 매립지, 열대 지역 동물원, 폴리우레탄이 섞인 퇴비통, 그리고 폴리우레탄 발포체를 먹인 밀랍나방(wax worm) 애벌레의 장에서 박테리아를 채집했습니다. 이들이 찾던 것은 재활용 방법이 거의 없는 두 가지 플라스틱, 즉 발포체와 코팅제, 엘라스테인 섬유에 쓰이는 폴리우레탄(PUR)과 섬유 및 그물에 쓰이는 폴리아미드 플라스틱인 나일론을 분해할 수 있는 미생물이었습니다. 두 플라스틱 모두 효소가 공략하기 더 어려운 화학 결합을 포함하고 있는데, 폴리우레탄에는 카바메이트 결합이, 나일론에는 아마이드 결합이 있으며, 이는 PET처럼 흔히 재활용되는 플라스틱의 에스터 결합보다 분해하기 까다롭습니다.

이 작업을 통해 폴리우레탄 분해 활성을 보인 21종의 박테리아와 나일론 분해 활성을 보인 8종의 박테리아가 확인되었습니다. 이들은 매립지의 폴리우레탄 발포체와 전선, 동물원의 폴리우레탄, 퇴비통의 폴리우레탄 발포체와 엘라스테인, 나일론 그물과 섬유, 그리고 밀랍나방 장에서 나온 것들이었습니다. 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌 시료에서 나온 박테리아 종은 실험에 사용된 프로브에 대해 일관된 활성을 보이지 않았습니다. 분리된 균주들은 여러 박테리아 그룹에 걸쳐 있었는데, 여기에는 방선균강(Actinomycetia), 알파프로테오박테리아, 감마프로테오박테리아, 바실루스강(Bacilli)이 포함되었으며, 그중에서도 방선균(Actinobacteria)이 두 플라스틱 모두에서 유독 자주 발견되었습니다.

이러한 박테리아 중 어느 것이 실제로 이 플라스틱들을 분해하고 있는지 찾아내기 위해, 연구진은 형광 프로브를 제작했습니다. 이는 폴리우레탄이나 나일론의 화학 구조를 모방하도록 만든 작은 분자입니다. PURp1이라 불리는 프로브 하나는 폴리우레탄에서 발견되는 것과 비슷한 카바메이트 결합을 포함하고 있으며, 이 결합이 절단되면 방출되는 빛의 색이 바뀝니다. 다른 프로브인 NYLp1은 나일론에 있는 것과 같은 아마이드 결합을 포함하고 있으며, 이 결합이 절단되면 소광제(quencher)가 방출되어 분자가 더 밝게 빛나게 됩니다. 이 프로브들을 흡수해 절단한 박테리아는 빛을 냈고, 이후 형광 보조 세포 분류(fluorescence-assisted cell sorting, FACS)라는 기법을 이용해 나머지와 분리되었습니다. 이 기법은 초당 최대 1만 개의 세포를 처리할 수 있습니다.

두 프로브는 절단된 후 서로 다르게 거동합니다. 절단된 PURp1에서 방출된 조각은 박테리아 세포 안으로 자유롭게 확산될 수 있는 반면, 절단된 NYLp1에서 방출된 조각은 양전하를 띠고 있어 이를 절단한 세포 내부나 인근 세포막 바깥쪽에 갇히게 됩니다. 이러한 차이 덕분에 두 프로브는 서로 다른 효소 활성 패턴을 드러낼 수 있었습니다. 대조 실험에서 연구진은 이미 알려진 폴리우레탄 분해 효소를 생산하도록 조작된 박테리아를, 그 효소가 없는 훨씬 더 많은 박테리아 집단에 100배 희석 비율로 섞은 뒤 프로브로 분류했습니다. 그 결과 분류를 통해 회수된 모든 균주가 해당 효소를 지니고 있었으며, 이는 이 분류 단계가 혼합 집단에서 활성 있는 플라스틱 분해 박테리아를 신뢰성 있게 골라낼 수 있음을 확인해 주었습니다.

분류된 박테리아로부터, 활성의 원인이 된 효소들은 크로마토그래피와 프로브 시험을 반복하는 과정을 통해 정제되었고, 이후 분자를 질량으로 식별하는 기법인 질량분석법(mass spectrometry)을 이용해 동정되었습니다. 이 과정을 통해 폴리우레탄 분해 효소 10종과 나일론 분해 효소 2종이 확인되었습니다. 추가로 관련 효소들은 분리 균주의 유전체와 공공 데이터베이스에서 유사 서열을 검색해 발견되었으며, 이를 모두 합쳐 새로 보고된 효소는 총 12종에 이릅니다.

기존에 알려진 폴리우레탄 및 나일론 분해 효소와 비교했을 때, 새로 확인된 효소들은 더 높은 열 내성을 보였고, 다양한 고분자량 폴리우레탄 중합체와 나일론 섬유에 대해서도 더 강한 활성을 보였습니다. 이 효소들의 녹는점(melting temperature)은 최대 섭씨 68.3도(±0.1도)에 달했는데, 이는 기존에 보고된 대부분의 폴리우레탄 분해 효소보다 높은 열 내성이며, 기존 나일론 분해 효소와는 비슷한 수준입니다. 연구진에 따르면 이는 처리되지 않은 상태의 긴 사슬 폴리우레탄과 나일론, 그리고 발포체에 사용되는, 화학적으로 결합된 그물망 형태이며 일반적으로 단순한 선형 형태보다 분해하기 어려운 가교(crosslinked) 폴리우레탄까지 분해할 수 있는 효소가 보고된 첫 사례입니다.

이는 중요한데, 기존에 확인된 폴리우레탄 분해 효소 대부분은 이 플라스틱의 에스터 기반 형태에 대해서만 시험되었거나, 에틸 카바메이트라는 더 단순한 관련 화합물에 대해서만 활성을 보였기 때문에, 실제 폴리우레탄 소재의 카바메이트 결합을 분해할 수 있다고 입증된 효소는 극히 적었습니다. 그 적은 수 가운데서도 UMG-SP1이라 불리는 효소 하나만이 에터 기반의 열가소성 폴리우레탄 형태를 분해하는 것으로 확인된 바 있습니다. 마찬가지로 나일론 분해 효소로 분류된 많은 효소들도 섬유와 그물에 쓰이는 더 단단한 나일론-6이나 나일론-6,6이 아니라, 가용성의 더 단순한 아마이드 화합물이나 생분해성 폴리아미드에 대해서만 시험되었습니다. Ntn 가수분해효소(Ntn hydrolases)라는 계열의 효소는 현재까지 보고된 것 중 가장 활성이 높은 나일론 분해 효소이지만, 실제 나일론 중합체에 대해서는 1% 미만의 활성만을 보였는데, 연구자들은 이를 중합체의 구조가 효소가 접근할 수 있었을 결합에 대한 접근을 제한하기 때문으로 설명합니다.

폴리우레탄 생분해에 관한 별도의 리뷰 연구들은 이 플라스틱을 생물막(biofilm) 형성과 에스터 및 우레탄 결합의 가수분해를 통해 분해하는 박테리아와 곰팡이를 정리해 왔으며, 여기에는 큐틴분해효소(cutinase), 에스터분해효소(esterase), 우레탄분해효소(urethanase) 등이 포함됩니다. 이 리뷰는 또한 폴리우레탄 시료가 쉽게 분해되는지 여부가 그 화학적 구성에 크게 좌우된다고 지적하는데, 폴리에스터 기반 폴리우레탄의 에스터 결합은 미생물의 공격에 훨씬 취약한 반면, 폴리에터 기반 폴리우레탄의 에터 결합은 화학적으로 더 안정적이어서 그렇습니다. 같은 리뷰는 유전자 조작 기법을 통해 일부 연구에서 분해 효율이 2.3배 향상되었으며, 나노입자 기반 촉매가 반복 사용 주기에도 활성의 82%를 유지했다고 설명하면서도, 산업 규모 도입에는 여전히 느린 분해 속도, 환경 조건에 대한 민감성, 규제 불확실성이라는 문제가 남아 있다고 경고합니다.

화학적으로 더 단순한 다른 플라스틱인 PET의 효소적 재활용 사례는 이러한 접근법이 성숙했을 때 어떤 모습일 수 있는지를 보여줍니다. 텍사스 대학교 오스틴 캠퍼스 연구진에 따르면, MutCompute라는 머신러닝 도구를 이용해 유용한 돌연변이를 찾아내 개발한 조작 효소 FAST-PETase는 원래대로라면 수백 년간 남아있을 수 있는 PET 플라스틱을 단 몇 시간에서 며칠 만에 분해할 수 있는 것으로 보고되었습니다. 폴리우레탄과 나일론은 이러한 경로에서 여전히 훨씬 뒤처져 있습니다. 이번 연구에서 설명된 새로운 효소들은, 연구자들의 표현을 빌리면, 산업적으로 즉시 사용할 수 있는 효소가 아니라 단백질 공학과 전산 발견을 통한 추가 최적화를 위한 출발점을 제공하는 것입니다. 현재 폴리우레탄이나 나일론에 대한 이에 준하는 산업 규모의 효소적 처리 공정은 존재하지 않습니다.