Cupriavidus necator의 포집된 이산화탄소 전환을 통한 생체적합성 의료용 플라스틱의 생산

Abstract

주요 온실가스 감축에 대한 교토의정서가 채택됨에 따라 모든 국가의 온실가스 감축이 현실화되고 있는 가운데, 우리나라도 2020년 배출전망치 대비 30%를 감축하기로 목표를 설정하고 국가 CCS (Carbon Dioxide Capture and Sequestration) 종합 추진계획을 발표하였다. CCS는 이산화탄소 (CO2)의 포집 및 처리 기술로, 최근 산업공단 등에서 CCS 사업의 일환으로 포집된 CO2의 친환경적 처리와 재생 가능한 고부가가치 자원으로의 전환에 관한 연구가 많이 이루어지고 있다. 바이오기술을 활용한 CO2의 PHA로의 전환은 CO2를 유용물질로 전환하는 생물학적 전환이용 기술로써 이용될 수 있다. 본 연구에서는 CO2를 이용하여 PHA를 생산함에 있어 주요 기질로 사용되는 CO2 농도가 미치는 영향을 살펴보고자, 수소산화균인 Cupriavidus necator를 이용하여 PHA 합성 실험을 수행하였다. CO2 농도를 각각 1, 3, 10, 20%로 변화시키며 미생물의 성장과 P(3HB)의 축적 양상을 관찰하였고, 그 결과로 최적 이산화탄소 농도를 도출하였다. 2단계로 이루어진 배양 실험의 첫 번째는 미생물 성장을 목적으로 했고, 미생물 개체수의 증가는 CO2 농도와 관계없이 일정했지만, 미생물 내 축적된 P(3HB)의 양은 CO2 농도가 높아질수록 감소하였다. 두 번째는 P(3HB) 축적 단계로 합성된 P(3HB)의 양은 3% CO2에서 가장 많았고, 첫 번째, 두 번째 단계에서 축적된 총 P(3HB)의 양은 1% CO2에서 가장 많았다. 하지만 1, 3% 사이의 차이가 크지 않았고, 10, 20%로 농도가 올라가야 저해 현상이 뚜렷이 나타났다. 이를 통해 고농도의 CO2를 사용할 경우 P(3HB)의 합성에 저해 현상이 일어날 수 있음을 확인하였다. 보조기질로 사용한 발레르산이 PHA의 합성에 미치는 영향을 확인하고자 발레르산을 0.05, 0.075, 0.1, 0.2% (v/v)의 농도로 변화시켜 주입하며 PHA 축적 실험을 수행하였다. 실험 결과, CO2에 의해 3HB가 합성되고 발레르산에 의해 3HV가 합성되어 P(3HB-co-3HV)의 공중합체가 생성되었다. 3HV의 경우 발레르산 농도가 0.1% 이하에서는 합성에 저해를 받지 않고, 농도가 증가함에 따라 합성량도 증가하였지만, 3HV 수율은 농도가 낮을수록 더 높았다. 3HB 역시 발레르산 농도에 영향을 받아, 발레르산 농도가 0.05% 이상일 때 축적에 저해를 받았다. 최종적으로 합성된 P(3HB-co-3HV)의 3HV 함량은 0.05, 0.075, 0.1, 0.2%에서 각각 17, 21, 33, 46 mol%였다. 이를 종합해 볼 때, P(3HB-co-3HV)의 축적을 위한 발레르산의 주입 농도는 0.05% 이하가 적절하고, 더 높은 3HV 함량을 얻기 위해서는 높은 농도의 단일 주입보다 연속 주입을 하는 것이 효율적일 것으로 판단하였다. 위의 결과를 바탕으로 발레르산 주입 방식에 변화를 주어 다양한 3HV 함량을 갖는 P(3HB-co-3HV)를 합성하는 실험을 수행하였다. 주입 방식은 연속주입으로 t＝0, 48시간일 때 각각 0.05% 발레르산을 주입하는 것과, t＝0시간일 때는 0.05%, t＝48시간일 때는 0.025% 발레르산을 주입하는 것, 두 가지로 진행하였다. 3HV의 경우 두 가지 방식에서 주입한 발레르산의 양이 차이가 있었음에도 불구하고 합성된 3HV의 양은 같았다. 3HB의 경우 48시간 후에 0.05%의 발레르산을 한번 더 추가하자 축적에 저해현상을 보였지만 총 축적량은 유사하게 나타났다. 또한 최종적으로 생성된 P(3HB-co-3HV)에서 3HV의 함량은 각각 31, 28 mol%로 큰 차이가 없었다. 연속 주입의 결과를 0.05% 발레르산의 단일 주입과 비교해 보면, 3HB의 합성량은 줄어들었지만 3HV의 합성량이 늘어나면서 총 P(3HB-co-3HV)의 양은 통계적으로 차이가 없었다. 하지만 3HV의 함량은 약 2배로 늘어났다. 따라서 약 30 mol%의 3HV 함량을 얻기 위해서는 t＝0, 48시간에 각각 0.05, 0.025%의 발레르산을 연속 주입하고, 그의 절반인 약 15 mol%의 3HV 함량을 얻기 위해서는 0.05% 발레르산을 t＝0시간에 단일 주입하는 것이 효율적임을 확인하였다. 마지막으로, 일정한 품질 (일정한 3HV 함량)의 P(3HB-co- 3HV)를 지속적으로 생산할 수 있는 가능성을 확인하기 위해 연속식 배양을 수행하였다. 첫 번째 미생물 성장 단계를 연속식으로 진행하여 약 36% (w/w)의 P(3HB) 함량을 갖는 미생물이 0.9 g/L의 농도로 유지되는 것을 확인한 후, 이 미생물을 이용하여 0.05% 발레르산의 단일 주입 방식으로 PHA 축적 단계를 3회 반복 수행한 결과, 3회 모두 16 mol%의 HV 함량을 갖는 P(3HB-co-3HV)가 생산되었다. 또한 연속식 배양으로 얻은 P(3HB-co-3HV)의 구조, 분자량, 물성 분석도 수행하여 일반적인 미생물 합성 P(3HB- co-3HV)의 특성을 갖고 있음을 확인하였다. 본 연구를 통해 CO2와 발레르산의 농도 및 주입 방식이 P(3HB-co-3HV) 생산에 미치는 영향을 확인하였다. 생산된 P(3HB-co-3HV)는 체내에서 이물반응이 일어나지 않는다고 알려져 있는 3HV 함량이 30 mol% 이하로 의료용 플라스틱으로의 활용 목적에도 부합한다. 이는 포집된 CO2를 의료 용도의 PHA로 전환시키는 최적 조건들을 찾는데 기여할 수 있을 것으로 판단된다.