효소를 이용해 플라스틱을 분해한다

플라스틱 분해 효소의 잠재력을 가진 미생물을 발견한 기업

*야스민 프라부다스(Yasmin Prabhudas)

원문 링크 보기: https://www.theearthandi.org/post/breaking-down-plastics-using-enzymes

‘브레이킹 컴퍼니’의 공동 설립자인 수카니아 푼탐바케르(왼쪽에서 두 번째)와 최고과학책임자 바스카르 그니아왈리(오른쪽)가 연구소 동료들과 함께하고 있다. ©브레이킹

전 세계는 끝없이 유익한 용도로 플라스틱 의존도를 높여가고 있다. 하지만 놀라운 양의 플라스틱 쓰레기가 바다와 수로를 오염시키고 있으며, 미세플라스틱이 수백만 명의 인체에 축적되고 있다는 증거가 점점 더 많아지고 있다. 또한 플라스틱은 대개 내구성을 위해 만들어졌기 때문에 분해되는 데 수십 년 또는 수백 년이 걸릴 수 있다. 유엔환경계획(UNEP)은 올해 세계 환경의 날의 주제로 전 세계적인 플라스틱 오염 종식에 역점을 두기로 결정하면서 이 문제의 심각성을 강조했다.

플라스틱 폐기물에 대한 우려가 커지는 가운데 플라스틱을 분해하여 더 이상 해롭지 않게 만드는 방법이 시급한 연구 과제로 떠오르고 있다.

일부 과학자들은 효소가 이러한 작업에 중요한 역할을 할 수 있는지 연구를 진행하고 있다. 한 예로 보스턴에 본사를 둔 브레이킹(Breaking)은 플라스틱을 빠르게 분해할 수 있는 방법을 찾는 임무를 수행하고 있다. 이 회사는 이 연구에서 '게임 체인저'가 될 수 있는 유망한 미생물을 발견했다.

폭증하는 플라스틱 쓰레기

경제협력개발기구(OECD)가 2022년에 발표한 글로벌 플라스틱 전망 보고서에 따르면 전 세계 플라스틱 폐기물은 2000년 1억5600만 톤에서 2019년 3억5300만 톤으로 두 배 이상 증가했다.

전 세계 플라스틱 생산량이 2000년 2억3400만 톤에서 2019년 4억6000만 톤으로 늘어나면서 플라스틱 폐기물량이 엄청나게 증가한 것이다.

OECD는 2019년에만 2200만 톤의 플라스틱이 환경으로 배출된 것으로 추정하고 있다. 대부분(88%)은 수거-처리 시설 부족으로 발생하는 거대 플라스틱으로 구성되었으며, 12%는 타이어 마모나 섬유 세탁 등으로 발생하는 미세플라스틱(직경 5mm 미만 또는 0.2인치에 가까운 크기)으로 구성되었다.

한편, OECD는 이미 강에 약 1억900만 톤, 바다에 3000만 톤의 쓰레기가 쌓여 있다고 주장한다.

미세플라스틱이 환경에 존재하면 인간의 건강과 취약한 생태계에 심각한 위험을 초래한다. UNEP에 따르면 미세플라스틱은 흡입 또는 음식 섭취 때 인체 시스템에 유입될 수 있다. 먹이사슬을 통해 유입되며, 동맥 벽을 포함한 인체의 모든 부위에서 발견된다.

미세플라스틱은 농업 및 화학 물질 제조와 같은 인간 활동에 의해 생성된다.  그리드-렌달 / 플리커

미세플라스틱은 식물성 플랑크톤의 성장을 늦추고, 해양 환경으로 유입된 플라스틱은 동물, 조류, 어류에 얽매이거나 내부 조직에 상처를 내고, 독성을 유발하여 치명적인 영향을 미칠 수 있다.

이러한 모든 원치 않는 결과로 인해 과학자들은 플라스틱을 분해하거나 중화할 수 있는 방법을 찾고 있다. 효소를 이용하는 연구가 유망한 새로운 접근법으로 떠오르고 있다.

효소란 무엇인가?

효소는 일반적으로 단백질(아미노산으로 구성된 구조) 또는 리보핵산(뉴클레오타이드로 구성되며 대부분의 생명체에 존재하는 분자)이다. 효소는 모든 생명체에서 다양한 기능을 수행하기 위해 화학 반응을 가속화하는 역할을 하며 모든 유기체의 필수적인 부분이다.

사람의 타액 속 효소인 아밀라아제와 리파아제는 설탕과 지방을 분해하고, 위장의 프로테아제는 단백질이 소화되도록 한다. 효소는 전분을 작은 분자로 분해한다. 한편 펩신은 위장에서 음식물의 단백질을 분해한다. 작은창자에서 더 분해되어 아미노산으로 바뀌고 간에서 반응을 거쳐 결국 체내에서 제거된다.

자연계에서 효소는 분자를 분해하고 생성하며 생물학적 과정을 가속화한다. 예를 들어 초식 생물의 위장은 셀룰라아제라는 효소를 사용하여 식물 셀룰로오스를 더 작은 분자의 영양소로 소화한다.

과학자들은 효소를 비슷한 방식으로 플라스틱을 분해하는 데 사용할 수 있는지 연구하고 있다. 이러한 개발은 화학적 업사이클링과 같이 이미 사용 가능한 방법 외에 새로운 방법으로 플라스틱을 처리할 수 있는 방법이 될 수 있다(지구와 나, "가방에서 풍요함으로 - 플라스틱을 실용적인 제품으로 업사이클링하기" 참조].

실제로 2016년 일본 연구진은 두 가지 효소를 통해 PET 플라스틱을 분해할 수 있는 박테리아(이데오넬라 사카이엔시스)를 발견했다. 2024년 노스웨스턴 대학교 연구진은 또 다른 종(코마모나스 테스토스테로니)에서도 PET를 분해할 수 있는 효소가 있다는 사실을 발견했다.

새로운 미생물과 그 효소의 발견

보스턴의 브레이킹(Breaking) 팀은 X-32라고 불리는 미생물이 PET를 넘어 분해하기 어려운 플라스틱의 분해 속도를 높일 수 있는 잠재력을 가지고 있다는 사실을 발견했다.

"우리는 X-32라는 미생물을 발견했는데, 이 미생물은 일반적으로 분해하기 어렵다고 알려진 플라스틱에서도 생존하거나 성장할 수 있다는 점에서 매우 흥미롭다."라고 브레이킹의 공동 설립자인 수카니아 푼탐바케르(Sukanya Punthambaker) 박사와 최고과학책임자 바스카르 그니아왈리(Vaskar Gnyawali) 박사는 말한다. "우리가 지금 하고 있는 일은 이러한 분해 메커니즘을 이해하고 이를 개선하기 위해 생명공학 도구를 사용하는 것이다."

잠재적으로 분해될 수 있는 플라스틱은 폴리올레핀, 폴리에스테르, 폴리아미드와 같은 주요 플라스틱으로, 지금까지 미생물은 이런 플라스틱이 먼저 처리되지 않고는 분해할 수 없었다. "우리는 미생물에서 이러한 단단한 폴리머를 분해할 수 있는 잠재적인 플라스틱 분해 효소를 발견했다."

폴리올레핀에는 일회용 식기에 사용되는 폴리프로필렌이 포함된다.  ©아이스톡(iStock)/스네자나 쿠드랍체바	폴리아미드에는 방수 의류에 사용되는 나일론이 포함된다.  ©아이스톡(iStock)/와이어스톡

그니아왈리는 효소를 최적의 성능이 보장되도록 설계할 수 있다고 덧붙인다. 그는 "효소는 공정 속도를 높이도록 설계하면 슈퍼 효소가 된다."라면서 "엔지니어링하지 않으면 효율성이 떨어지거나 몇 주, 며칠, 심지어 몇 시간 등 우리가 원하는 시간 내에 플라스틱을 분해할 수 없다."고 설명한다.

미생물이 폴리머 사슬과 상호 작용할 때 최종 생성물은 물, 이산화탄소, 바이오매스와 같은 무해 물질로 구성될 가능성이 높다.

하지만 한계가 있다. 예를 들어, 개별 미생물이 모든 종류의 플라스틱을 분해할 수는 없다.

그니아왈리는 "플라스틱에는 수백 가지의 종류가 있으며, 각각의 플라스틱에는 각기 다른 분해 과정이 필요하다."고 말한다. 하지만 그와 브레이킹 팀은 여전히 낙관적이다. 새로운 유기체와 미생물을 발견하고 있으며, 이를 통해 다양한 종류의 플라스틱을 분해할 수 있을 것으로 믿고 있다.

여러 애플리케이션

브레이킹의 기술은 다양한 환경에 적용될 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 예를 들어, 미생물과 그 효소는 혐기성 소화 공장에서 흡수되는 플라스틱 오염 물질을 분해할 수 있다. 또한 플라스틱을 효율적으로 분해하여 바이오가스와 바이오매스 생산을 촉진하고 미세플라스틱이 포함된 폐수가 환경으로 다시 유입되기 전에 처리할 수 있다.

농업을 통해 토양을 오염시킨 플라스틱을 분해하거나, 산업 시설에서 플라스틱으로 오염된 토양을 정화하거나, 매립지와 처리장에서 플라스틱을 분해하는 데 사용할 수 있다. 또한 '수거 및 분해' 이니셔티브를 통해 바다에 있는 플라스틱을 분해하는 데도 사용할 수 있다.

이 기술은 고무장화 밑창(자연 분해 시간 40~80년), 낚싯줄(600~650년), 페트병(450~1000년) 등의 분해 속도를 가속화할 수 있다. 이렇게 하면 쓰레기 매립지, 바다 및 기타 생태계에 쌓이는 것을 방지하여 야생생물과 환경을 보호하는 데 도움이 될 것이다.

태국 따루따오 국립공원의 쓰레기(플라스틱 포함).  ©아이스톡/유토피아_88

영향 최소화

하지만 이런 방식으로 플라스틱을 분해하는 과정 자체가 탄소 발자국을 남기지 않을까? 효소를 사용하면 부산물이 생성되지 않기 때문에 화학 촉매를 사용하는 것보다 지속 가능하고 안전하며 에너지 효율적이다. 즉, 폐기물을 처리할 필요가 없고 오염도 발생하지 않는다. 효소는 생분해성에 무독성이며, 그 과정은 주로 물에서 이루어진다.

그니아왈리는 효소 공정의 사용 자체가 환경 문제를 일으키지 않는다는 것을 확인했다. 그러나 이 회사는 폐기물을 최소화하여 이산화탄소 배출을 줄이는 방식으로 연구를 수행하기 위해 노력하고 있으며, 이는 ‘친환경 화학’을 통해 ‘온건한 공정’을 사용하는 것을 의미한다.

친환경 화학의 프레임워크를 개발한 폴 아나스타스와 존 워너는 친환경 화학을 "화학 제품의 설계와 제조 및 적용에 있어 유해 물질의 사용이나 발생을 줄이거나 없애는 일련의 원칙을 활용하는 것"이라고 정의했다.

워너는 브레이킹의 과학자문위원으로 활동하고 있다.

미래 전망

푼탐베케르와 그니아왈리는 플라스틱 오염과의 싸움에서 효소의 잠재력이 매우 크다고 믿는다.

그니아왈리는 자연적으로 플라스틱은 수년, 수십 년 또는 수백 년이 지나도 분해되지 않기 때문에 우리가 원하는 시간(며칠 또는 몇 주)에 이러한 플라스틱을 감소시킬 수 있는 기능으로 효소를 설계하고 최적화할 수 있다면 이는 게임 체인저가 될 것이다."라고 말한다.

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*야스민 프라부다스는 주로 비영리단체, 노동조합, 교육 부문 및 정부 기관에서 일하는 프리랜서 저널리스트이다.