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Research

DGIST, 곤충 체내에서 플라스틱 생분해하는 박테리아 발견

  • 조회. 655
  • 등록일. 2020.06.03
  • 작성자. 홍보팀

DGIST 학부생들 주축, 슈퍼웜의 체내에서 폴리스틸렌 분해 박테리아‘슈도모나스’발견
향후 환경오염 해결 위한 플라스틱 생분해 연구 기폭제 역할 기대

 


[DGIST 기초학부 김대환 교수(가운데 앞)와 학부생들(왼쪽부터 유희철, 전은빈, 김홍래, 이현민 학생)]

 

 DGIST 학부생들이 주축이 된 연구팀이 곤충의 체내에서 플라스틱 생분해 박테리아를 발견했다. 향후 환경오염 해결을 위한 플라스틱 생분해 연구의 기폭제 역할로 기대된다. 

 DGIST(총장 국양)는 기초학부 김대환 교수와 김홍래, 이현민, 유희철, 전은빈 학생이 아메리카왕거저리의 유충인 슈퍼웜의 체내에서 폴리스틸렌1)을 생분해하는 박테리아를 최초로 발견했다고 3일(수) 밝혔다. 

 불과 150년 전부터 존재하기 시작한 플라스틱은 인류의 삶을 편리하게 바꾸어 놓았지만 전 세계적으로 연간 800만 톤 이상의 플라스틱 폐기물이 해양에 유출되어 생태계를 위협하고 있다. 플라스틱은 자연 상태에서 분해속도가 매우 느리기 때문에, 플라스틱을 생분해하기 위한 연구가 활발히 진행 중이다. 

 이에 연구팀은 기존에 플라스틱 소화능력이 잘 알려지지 않았던 슈퍼웜에 주목해 연구를 진행했다. 먼저 플라스틱 이외의 영양원이 없는 배양기에서 슈퍼웜의 장액을 배양하여 장액 내 플라스틱 분해 박테리아 후보를 선별했다. 그리고 플라스틱에서의 증식여부와 화학적 변화를 지속적으로 관찰하며 플라스틱 분해 박테리아인 ‘슈도모나스(Pseudomanas sp.)’를 발견하는 것에 성공했다. 

 슈도모나스 박테리아는 특히 분해가 어려운 플라스틱 종류인 폴리스틸렌을 분해할 수 있었는데, 슈도모나스 내 효소 중 하나인 세린계 가수분해효소(Serine Hydrolase)가 플라스틱 생분해와 연관이 있음을 최초로 제시했다. 이를 규명하고자 효소의 억제제를 여러 농도에서 처리하면서, 억제제의 농도가 높을수록 박테리아의 증식과 플라스틱의 분해가 저해됨을 관찰할 수 있었다. 또한 소화된 플라스틱 대사물질의 대사 경로를 추론 및 분석하기 위해 다양한 분광학적 기법을 이용했다. 

 이번 연구는 DGIST 학부 커리큘럼의 일환인 ‘학부생 공동연구프로젝트(UGRP)’를 통해 일군 성과이기에 더욱 의미가 깊다. 연구를 지도한 기초학부 김대환 교수는“앞으로 플라스틱 분해 효소의 발견 및 개량을 지속적으로 진행한다면 궁극적으로 플라스틱 문제 해결에 다다를 수 있을 것”이라며 “아직까지 세계적으로 플라스틱의 생분해 연구가 초기 단계인 만큼, 이번 연구를 통해 기폭제 역할이 되기를 기대한다.”고 말했다.

 한편 이번 연구는 DGIST 뇌‧인지과학전공 이석규 교수와 GIST 화학과의 Jiaojie Li 교수가 공동으로 참여했으며, 환경과학분야의 저명한 국제학술지인‘환경과학기술(Environmental Science & Technology)’에 5월 6일 온라인 게재됐다. 아울러 미국화학회(ACS)의‘Weekly PressPac’에 선정돼 5월 27일 해외뉴스로 게재됐다.(https://www.acs.org/content/acs/en/pressroom/presspacs/2020.html) 연구진행은 미래 신성장 동력의 발굴을 위해 CJ제일제당이 주최한 ‘CJ블로썸 아이디어랩’사업과 DGIST의 연구지원으로 수행됐다. 

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1) 폴리스틸렌(polystyrene:PS) : 열가소성 플라스틱의 하나로 가공이 쉽고 가볍고, 맛과 냄새가 없다. 가격이 저렴해 생활용품, 각종용기, 포장재 등 다양하게 쓰이나, 내열성이 60~90도로 낮기 때문에 뜨거운 것에 닿으면 쉽게 녹아 환경호르몬 물질이 발생한다.

 

    연구결과개요 

Biodegradation of Polystyrene by Pseudomonas sp. Isolated from the Gut of Superworms (Larvae of Zophobas atratus)
Hong Rae Kim, Hyun Min Lee, Hee Cheol Yu, Eunbeen Jeon, Sukkyoo Lee, Jiaojie Li, and Dae-Hwan Kim
(Environmental Science & Technology, 6th May, 2020)

 

 플라스틱의 사용량이 증가하면서 플라스틱을 오염 없이 생분해하는 기술의 개발이 진행되고 있다. 폴리스틸렌(PS)은 전 세계에서 다섯 번째로 많이 사용되는 플라스틱이다. 본 연구팀은 폴리스틸렌을 분해하는 Pseudomonas sp.를 최초로 슈퍼웜(Zophobas atratus)의 장내에서 분리하였으며, 슈퍼웜과 Pseudomanas sp.에 의한 폴리스티렌의 분해에 따른 화학적 변화를 다양한 방법으로 분석했다. 폴리스티렌의 친수성 변화는 원소 분석 및 물방울과의 접촉각측정을 통해 확인하였으며, 화학적 구조 변화는 X선 광전자 분광법 (XPS), 푸리에 변환 적외선 분광법 (FT-IR) 및 자기 공명 분광법 (NMR)으로 확인하였으며, 이 같은 분석을 통해 폴리스틸렌에서 카르보닐기가 새로운 작용기로 형성되었음을 확인하였다. 또한, 다른 Hydrolase와 달리 Serine Hydrolase의 유전자 발현은 mRNA 측정방식인 RT-qPCR에서 유의하게 증가하였고, 세린 가수 분해 효소 억제제 연구를 통해 Pseudomonas sp.의 Serine Hydrolase가 직접적으로 폴리스틸렌의 생분해와 관련되어 있음을 확인하였다. 이 같은 결과는 폴리스틸렌 생분해와 연관된 Pseudomonas sp.내 효소를 최초로 확인한 결과이며, 이는 후속 연구를 통해 플라스틱의 분해기술 개발에 직접 활용될 수 있을 것으로 보인다.

 

    연구결과문답 

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?

최근 플라스틱을 섭취하는 곤충인 왁스웜과 밀웜이 보고되었고, 곤충들이 이를 소화하여 영양원으로 사용할 수 있다는 것이 알려졌다. 연구팀은 두 가지의 곤충 이외에 플라스틱을 섭취할 수 있는 새로운 곤충인 슈퍼웜을 발견하였고, 현재까지 잘 알려져 있지 않은 폴리스틸렌의 생분해 과정에 있어 Pseudomonas sp.에 의한 분해 메커니즘을 확인하였다. 그리고, Pseudomonas sp.에 존재하는 Serine Hydrolase에 의한 폴리스티렌 생분해 가능성을 분자 생물학적이고 생화학적인 방법을 이용하여 최초로 확인하였다. 

Q. 어디에 쓸 수 있나?

슈퍼웜, 박테리아, 플라스틱 분해 박테리아 스크리닝 기술은 모두 앞으로 플라스틱 분해 기술 상용화를 위한 후속 연구에 활용될 수 있으며, 현재 혹은 앞으로 세계에서 큰 문제가 되고 있는 플라스틱 쓰레기나 제거나 해상에서의 미세플라스틱에 의한 오염 문제에 대한 해결책으로 활용될 수 있을 것으로 보인다.  

Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는?

플라스틱의 생분해는 아직 초기단계의 연구가 진행되고 있기에 상용화까지는 많은 시간이 필요하다. 앞으로 후속 연구를 통해 플라스틱 분해 유전자와 효소를 탐색하고, 이를 개량하여 분해효율을 증진시키는 것이 필요하다. 따라서 2-3년 내에 실용화 시킬 수 있을 것으로 보인다.

Q. 연구를 시작한 계기는?

최근 플라스틱의 사용량이 급증함에 따라 많은 환경오염문제가 발생하고 있다. 소각과정에서 유독기체가 발생하고, 매립과정에서 토양과 지하수 오염되며, 해양에는 미세플라스틱이 유입되고 있다. 그런데 최근 연구 결과는 곤충이 플라스틱 문제 해결의 실마리로 주목받고 있다. 이에 본 연구팀은 기존에 플라스틱 소화능력이 알려지지 않았던 슈퍼웜을 주제로 연구를 진행하게 되었다.

Q. 어떤 의미가 있는가?

플라스틱의 한 종류인 폴리스틸렌은 그동안 생분해 사례가 거의 보고되지 않았다. 연구팀은 곤충 장내 박테리아를 활용하여 폴리스틸렌을 분해 할 수 있다는 실마리를 제공하였으며, 발견된 효소를 이용하여 플라스틱의 생분해 과정을 in vitro에서 보다 더 현실화 시킬 수 있을 것으로 보인다. 또한, 플라스틱 분해 박테리아 스크리닝 방법을 통해 보다 다양한 종류의 플라스틱 분해 박테리아를 획득할 수 있을 것으로 보이며, 플라스틱 종류에 따른 맞춤식 생분해 과정을 앞으로 진행 시킬 수 있을 것으로 보인다. 

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?

연구팀의 최종 목적은 단기간에 플라스틱을 분해할 수 있는 생분해 기술을 개발함으로써 플라스틱으로 인한 환경오염문제를 해결하는 것이다. 

 

    그림 설명 

[그림 1] 플라스틱을 섭취하는 슈퍼웜(좌) 플라스틱 분해 박테리아(가운데) 플라스틱 분해 효소 후보(우)

 

관련사진2. 플라스틱을 섭취하는 슈퍼웜(좌) 플라스틱 분해 박테리아(가운데) 플라스틱 분해 효소 후보(우)

(그림설명) 가장 왼쪽의 사진은 플라스틱 (스티로폼)을 섭취하고 있는 슈퍼웜이다. 슈퍼웜은 폴리스틸렌을 섭취하고 이를 소화시켜 영양분으로 사용할 수 있다. 중앙에 있는 사진은 슈퍼웜 장내에서 분리한 플라스틱 분해 박테리아가 폴리스틸렌 필름 표면에 증식한 사진이다. 가장 오른쪽 사진은 폴리스틸렌을 분해하는 박테리아에서 특정 효소의 유전자 발현량이 증가하고, 효소 억제제를 사용하면 플라스틱 분해능력이 감소함을 나타낸다.

 

[그림 2] 관련 논문이 미국화학회(ACS)‘Weekly PressPac’에 선정되어 지난 27일 해외뉴스로 게재되었다.

관련사진3. 관련 논문이 미국화학회(ACS)‘Weekly PressPac’에 선정되어 지난 27일 해외뉴스로  게재되었다.

관련주소 : https://www.acs.org/content/acs/en/pressroom/presspacs/2020/acs-presspac-may-27-2020/superworms-digest-plastic-with-help-from-their-bacterial-sidekicks.html

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