이번 연구를 수행한 이상엽(오른쪽) KAIST 특훈교수와 안다희 박사과정.[KAIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] “미생물로 석유 없이도 플라스틱 원료 나일론 만든다.”

KAIST는 생명화학공학과 이상엽 특훈교수 연구팀이 시스템 대사공학(미생물의 대사 경로를 설계·최적화해 원하는 물질 생산을 극대화하는 기술)을 활용해 재생 가능한 탄소원인 ‘글리세롤(바이오디젤 생산 과정에서 나오는 친환경 바이오 부산물)’로부터 ‘나일론 핵심 원료를 생산할 수 있는 대장균 기반 모듈형 플랫폼을 개발했다고 31일 밝혔다.

이번에 개발된 플랫폼은 장기적으로 바이오 기반 나일론 6 및 나일론 6,6 핵심 원료 생산에 활용될 수 있는 기반 기술이다.

‘나일론 6’는 유연성이 높아 의류·필름 등에 사용되며, ‘나일론 6,6’은 강도와 내열성이 우수해 자동차·기계 부품 등에 활용된다. 나일론 이름 뒤 숫자는 원료 분자에 포함된 탄소 개수를 의미한다.

이번 연구의 핵심은 생산 경로를 상·하류 균주 두 개로 나누고, 서로 다른 역할을 하는 대장균이 이를 나눠 맡도록 한 점이다. 상류 균주는 글리세롤로부터 아디픽산을 생산하고, 하류 균주는 이를 다시 헥사메틸렌다이아민 또는 엡실론 카프로락탐으로 전환하도록 설계됐다. 이를 통해 연구팀은 나일론 6,6의 핵심 원료인 아디픽산과 헥사메틸렌다이아민, 나일론 6의 핵심 원료인 엡실론 카프로락탐을 하나의 통합 플랫폼에서 생산하는 데 성공했다.

연구진은 생산 효율을 높이기 위해 다양한 효소(생체 내 화학반응을 촉진하는 단백질)인 카복실산 환원효소와 트랜스아미나아제를 비교·검증해 최적의 조합을 적용, 이를 통해 헥사메틸렌다이아민 생산성을 향상시켰다. 또한 엡실론 카프로락탐 생산 과정에서는 여러 기능을 결합한 융합효소를 설계해 반응 효율을 높였다.

또 인공지능(AI) 기반으로 핵심 효소 성능을 개선해 생산량을 높였다. 그 결과 발효 공정에서 아디픽산을 6그램 퍼 리터(g/L) 수준까지 생산했다.

나일론6,6 및 나일론 6 단량체 생산 모식도(AI 생성 이미지).[KAIST 제공]

연구팀은 두 종류의 대장균을 동시에 넣지 않고, 먼저 아디픽산을 충분히 만든 뒤 두 번째 균주를 나중에 투입하는 ‘지연 접종(시간차 공배양)’ 전략도 적용했다. 이는 서로 다른 역할을 하는 미생물을 시간차를 두고 순차적으로 투입하는 방식이다.

이 전략을 유가 배양식(영양분을 단계적으로 공급하며 생산성을 높이는 발효 방식) 발효 공정에 적용한 결과, 글리세롤만을 사용해 헥사메틸렌다이아민 230 밀리그램 퍼 리터(mg/L), 엡실론 카프로락탐 808 마이크로그램 퍼 리터(μg/L)를 생산했다.

연구팀은 향후 AI 기반 효소 설계와 추가적인 시스템 대사공학을 접목해 생산성을 더욱 높이고, 다양한 고분자(여러 단량체가 반복적으로 결합한 물질) 원료 생산으로 확대할 계획이다.

이상엽 특훈교수는 “충분한 생산성이 확보될 경우, 석유에 의존해온 나일론 원료의 일부를 바이오 기반으로 점진적으로 대체하는 데 기여할 수 있을 것”이라며 “글리세롤은 바이오디젤 생산 공정에서 발생하는 부산물로 비교적 저렴하게 확보할 수 있는 탄소원이므로, 바이오디젤 산업과 연계한 자원 순환형 생산 모델로 발전시킬 가능성도 기대된다”고 말했다.

이번 연구결과는 국제학술지 ‘미국국립과학원회보 (PNAS)’에 5월 4일 게재됐다.