KAIST, 대장균으로 포도당에서 접착제 소재 생산… 상용 EVA보다 높은 접착력 확인

이상엽 특훈교수팀, 미생물 세포공장으로 생분해성 핫멜트 접착제용 고분자 개발… ‘네이처 커뮤니케이션스’ 게재

택배 상자부터 가구, 전자제품, 자동차까지 널리 쓰이는 ‘열로 녹여 붙이는 접착제’를 석유 대신 미생물로 만들 수 있는 가능성이 제시됐다. KAIST는 생명화학공학과 이상엽 특훈교수 연구팀이 대장균의 유전자와 대사 과정을 조절해 포도당으로부터 접착제 소재를 생산하는 ‘미생물 세포공장’을 개발했다고 17일 밝혔다.

연구팀은 미생물이 원하는 물질을 생산하도록 설계하는 시스템대사공학을 활용해 대장균의 대사경로를 새롭게 설계했다. 이를 통해 포도당으로부터 생분해성 고분자인 폴리하이드록시알카노에이트(PHA) 계열의 새로운 접착제 소재 poly(4HB-co-PhLA)와 poly(3HB-co-4HB-co-PhLA)를 생산하는 데 성공했다.

핫멜트 접착제는 ‘글루건 접착제’처럼 열을 가하면 녹고 식으면 굳으면서 물체를 붙이는 접착제로, 별도의 유기용매 없이 빠르게 접착할 수 있어 포장재, 가구, 전자제품, 자동차, 건축자재 등 다양한 산업에서 사용된다. 그러나 현재 핫멜트 접착제 대부분은 에틸렌-비닐아세테이트(EVA) 같은 석유 유래 고분자를 기반으로 하며, 자연에서 잘 분해되지 않아 폐기물과 미세플라스틱 문제로 이어질 수 있다.

연구팀은 재생 가능한 원료로 만들 수 있는 생분해성 고분자 PHA에 주목했다. PHA는 어떤 성분을 어떤 비율로 구성하느냐에 따라 유연성·강도·내열성 등을 조절할 수 있다. 연구팀은 이 원리를 이용해 소재를 부드럽고 잘 달라붙게 하는 4-하이드록시부티레이트(4HB)와 단단함과 내열성을 높이는 페닐락테이트(PhLA)를 조합해 고분자를 만들었다. 두 성분의 비율을 달리하자 고분자의 열적 특성과 접착 성능이 달라졌으며, 4HB가 약 24~34몰% 포함됐을 때 우수한 접착 성능을 보였다.

연구팀은 대장균이 포도당으로부터 4HB와 PhLA를 만들어 하나의 고분자로 연결하도록 세포 내부 대사경로를 설계했다. 이 과정에서 여러 성분을 동시에 생산할 때 생기는 불균형을 해결하기 위해 유전자 발현의 세기와 시점을 조절하고 CoA 전달효소를 추가했다. 또한 세포 안의 수많은 화학반응을 컴퓨터로 분석하는 게놈 규모 대사모델을 활용해 병목이 생기는 대사경로를 찾아 최적화했다. 그 결과 영양분을 지속적으로 공급하며 미생물을 배양하는 유가식 발효를 통해 poly(4HB-co-PhLA)를 배양액 1리터당 10.2g, 3HB 생산 경로를 추가한 poly(3HB-co-4HB-co-PhLA)는 1리터당 52.8g까지 생산했다.

생산한 고분자가 실제 핫멜트 접착제로 사용 가능한지도 시험했다. poly(4HB-co-PhLA)는 스테인리스강 전단 접착 시험에서 4.58MPa의 전단 접착력을 기록해 상용 EVA 접착제의 4.20MPa보다 높은 성능을 보였다. 전단 접착력은 붙어 있는 두 물체를 옆으로 밀어 떼어낼 때 얼마나 강하게 버티는지를 나타내는 수치다. poly(3HB-co-4HB-co-PhLA)는 목재 접착 시험에서 상용 EVA 접착제와 비슷한 수준의 성능을 나타냈다. 아울러 poly(4HB-co-PhLA)는 반복해서 녹였다가 다시 접착한 뒤에도 상당 수준의 접착력을 유지했고, PhLA 성분 도입으로 내열성도 향상됐다.

생분해 가능성도 확인됐다. 지방 등을 분해하는 효소인 리파아제를 처리하자 고분자 표면이 손상되고 분자량과 전체 질량이 감소해, 새로 개발한 방향족 PHA가 효소에 의해 분해될 수 있음이 나타났다.

이번 연구는 친환경 접착제 개발과 함께, 미생물의 대사경로를 설계해 원하는 성질의 기능성 소재를 생산할 수 있다는 가능성을 보여줬다는 데 의미가 있다. 기존 석유화학 공정에 의존해온 기능성 고분자를 포도당 같은 재생 가능한 원료로 생산할 수 있어 접착제를 넘어 다양한 기능성 고분자 소재의 지속가능한 생산 기술로 활용될 것으로 기대된다.

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.

생명화학공학과 강민주 박사과정생, 이영준 박사, 김기배 박사가 참여한 이번 연구는 7월 20일 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’에 온라인 공개됐다. 이번 연구는 과학기술정보통신부가 지원하는 한국연구재단의 ‘차세대 바이오리파이너리 원천기술 개발 사업’의 지원을 받아 수행됐다.

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