[세종=뉴스핌] 이경태 기자 = 한국과학기술원(KAIST)은 생명화학공학과 이상엽 특훈교수 연구팀이 대장균을 이용해 포도당으로부터 핫멜트 접착제용 고분자를 생산하는 기술을 개발했다고 17일 밝혔다. 이 고분자는 스테인리스강 전단 접착 시험에서 상용 석유계 접착제보다 높은 접착력을 나타냈다.

연구팀은 시스템대사공학 기법으로 대장균의 대사경로를 새로 설계해 포도당으로부터 생분해성 고분자인 폴리하이드록시알카노에이트(PHA) 계열의 신소재 poly(4HB-co-PhLA)와 poly(3HB-co-4HB-co-PhLA)를 생산했다. 핫멜트 접착제는 열을 가하면 녹고 식으면 굳는 방식으로 붙는 접착제로, 별도 용매 없이 빠르게 접착할 수 있어 포장재·가구·전자제품·자동차 등 여러 산업에서 쓰인다. 다만 현재 사용되는 핫멜트 접착제는 대부분 에틸렌-비닐아세테이트(EVA) 등 석유 유래 고분자를 기반으로 해 자연에서 잘 분해되지 않는 문제가 있다.

연구팀은 대장균이 포도당으로부터 4-하이드록시부티레이트(4HB)와 페닐락테이트(PhLA)를 만들어 하나의 고분자로 연결하도록 세포 내 대사경로를 설계했다. 4HB는 소재를 부드럽고 잘 달라붙게 하고 PhLA는 단단함과 내열성을 높이는 역할을 한다. 두 성분의 비율에 따라 고분자의 열적 특성과 접착 성능이 달라졌으며, 4HB가 약 24~34몰% 포함됐을 때 접착 성능이 우수하게 나타났다.

연구팀은 여러 성분을 동시에 생산할 때 발생하는 대사 불균형을 해결하기 위해 유전자 발현의 세기와 시점을 조절하고, 물질 생산에 필요한 CoA 전달효소를 추가했다. 게놈 규모 대사모델을 통해 원료 부족이나 병목이 발생하는 대사경로를 찾아 최적화하기도 했다. 그 결과 유가식 발효를 통해 poly(4HB-co-PhLA)는 배양액 1리터당 10.2g, 3HB 생산 경로를 추가한 poly(3HB-co-4HB-co-PhLA)는 1리터당 52.8g까지 생산하는 데 성공했다.

생산한 고분자를 실제 핫멜트 접착제로 시험한 결과 poly(4HB-co-PhLA)는 스테인리스강 전단 접착 시험에서 4.58메가파스칼(MPa)의 전단 접착력을 기록해 상용 EVA 접착제의 4.20MPa보다 높은 수치를 보였다. poly(3HB-co-4HB-co-PhLA)는 목재 접착 시험에서 상용 EVA 접착제와 비슷한 수준의 성능을 나타냈다. poly(4HB-co-PhLA)는 반복해서 녹였다가 다시 접착한 뒤에도 상당 수준의 접착력을 유지했으며, PhLA 성분이 더해지면서 내열성도 향상됐다. 지방 등을 분해하는 효소인 리파아제를 처리한 결과 고분자 표면이 손상되고 분자량과 질량이 감소해 생분해 가능성도 확인됐다.

이상엽 특훈교수는 "이번 연구는 미생물의 대사를 정밀하게 설계해 단순히 고분자를 생산하는 것을 넘어 기능성 소재를 직접 생산할 수 있음을 보여준 연구"라며 "향후 다양한 비천연 단량체와 미생물 세포공장을 활용하면 석유 기반 접착제뿐 아니라 여러 기능성 고분자를 지속 가능한 방식으로 생산하는 바이오제조 기술로 확대할 수 있을 것"이라고 말했다.

이번 연구에는 KAIST 생명화학공학과 강민주 박사과정생, 이영준 박사, 김기배 박사가 참여했으며 지난 7월 20일 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션스'에 온라인 공개됐다. 연구는 과학기술정보통신부가 지원하는 한국연구재단의 차세대 바이오리파이너리 원천기술 개발 사업의 지원을 받아 수행됐다.

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