(Plastics are widely used but difficult to degrade, posing an ecological challenge. A team from SIAT developed degradable "living plastics" using synthetic biology and polymer engineering. They engineered Bacillus subtilis spores to produce Burkholderia cepacia lipase (BC-lipase), an enzyme that breaks down plastic. These spores were mixed with poly(caprolactone) (PCL) to create the plastics, maintaining the material's physical properties. When the plastic surface is eroded, the spores release the enzyme, leading to nearly complete breakdown of the plastic. Credit: Dai Zhuojun)
(The spores were resilient to environmental perturbations. Credit: Nature Chemical Biology (2024). DOI: 10.1038/s41589-024-01713-2, https://www.nature.com/articles/s41589-024-01713-2)
플라스틱은 편리한 소재이지만, 갈수록 사용량이 늘어나고 쓰레기도 따라서 늘어나면서 골칫거리가 되고 있습니다. 가볍고 튼튼하고 가공하기 쉬운 대신 금속처럼 녹여서 회수하기 힘들고 쉽게 썩지 않아 환경 오염을 일으키기 때문입니다. 물론 이론적으로는 버리는 쓰레기 없이 완전히 수거하면 적어도 토양이나 물을 오염시키지 않겠지만, 현실적으로 많은 일회용품이 플라스틱으로 만들어지고 있어 현재도 바다와 땅에 막대한 양의 쓰레기가 쌓이고 있습니다. 이렇게 환경으로 유출된 플라스틱 쓰레기는 작은 미세 플라스틱으로 조각나 먹이 사슬을 통해 다시 우리에게 오고 있습니다.
중국 과학원, 선전 고등기술 연구소 (Shenzhen Institute of Advanced Technology (SIAT), Chinese Academy of Sciences (CAS))의 과학자들은 플라스틱을 분해하는 박테리아를 이용해 스스로 분해되는 플라스틱을 개발했습니다.
연구팀은 박테리아들이 주변 환경이 좋지 않을 때 포자 (spore)를 만들어 스스로를 보호한다는 사실에 주목했습니다. 포자 안에 들어 있는 박테리아들은 높거나 낮은 온도, 화학 물질 등 악조건에서 잘 버틸 수 있습니다. 일부 박테리아 포자는 플라스틱 성형 과정에서도 살아남을 수 있습니다.
연구팀은 플라스틱에 넣을 세균으로 일반적으로 비병원성인 토양 세균인 고초균 (Bacillus subtilis )을 선택했습니다. 이 고초균에 플라스틱 분해 효소인 lipase BC 유전자를 삽입한 후 중금속 이온으로 자극을 주면 스스로 살아남기 위해 포자를 형성합니다. 그리고 이 포자를 생분해성 플라스틱 소재인 폴리카프로락톤 (poly (caprolactone) (PCL)) 소재와 혼합했습니다.
PCL은 낮은 온도와 압력에서도 성형이 가능하기 때문에 박테리아 포자가 충분히 살아남을 수 있습니다. 그리고 사실 자연 상태에서도 생분해가 일어날 수 있습니다. 하지만 실제 환경에서는 생각보다 빠르게 분해가 일어나지 않아 여전히 오염의 위험성이 있습니다.
연구팀은 박테리아 포자를 심은 생분해성 플라스틱이 분해되는 속도가 훨씬 빠르다는 사실을 확인했습니다. 같은 조건에서 일반 PCL 플라스틱이 분해되는 데 55일 정도 걸린다면 박테리아 포자를 혼합한 경우에는 절반인 25-30일 정도에 불과했습니다.
그렇다면 내구성이 좋지 않을까하는 우려가 있을 수 있는데, 이 박테리아 포자는 안전성 상태에서는 깨어나지 않고 화학 물질로 자극을 주거나 혹은 플라스틱이 손상되었을 때 깨어납니다. 예를 들어 포장 플라스틱의 경우 포장을 뜯을 때나 혹은 외부 자극에 의해 조각이 나서 미세 플라스틱이 되었을 때 박테리아가 깨어나 빠르게 분해하는 원리입니다.
다만 이런 과정이 실험실에서처럼 실제 환경에서도 그대로 일어날지는 더 검증이 필요해 보입니다. 그리고 비용적인 측면에서도 감당할 수 있는지도 확인이 필요합니다. 생분해를 넘어 살아 있는 플라스틱을 만든다는 아이디어는 참신하지만, 실제 응용으로 이어질 수 있는지는 더 기다려봐야 알 수 있을 것입니다.
참고
https://phys.org/news/2024-08-plastics-solution-plastic-degradation-synthetic.html
https://newatlas.com/bacterial-spores-degradable-living-plastic/
Tang, C. et al. Degradable living plastics programmed by engineered spores, Nature Chemical Biology (2024). DOI: 10.1038/s41589-024-01713-2. www.nature.com/articles/s41589-024-01713-2
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