박테리아가 만드는 '탈석유' 플라스틱: PET를 능가할 가능성을 보인 PDCA란

「강하지만 제대로 분해되는」――플라스틱에 계속 요구되어 온 상반된 요구 사항에 일본발의 한 수가 들어갔다. 고베 대학의 바이오엔지니어링 팀이 생분해성 플라스틱 전구체 "PDCA(2,5-pyridinedicarboxylic acid)"를 대장균에서 고농도로 생산하고, PDCA를 포함한 소재의 물성이 PET에 필적하거나 능가할 가능성을 보였다. 속보는 2025년 9월 4일에 Phys.org가 배포하였고, 원저 논문은 Metabolic Engineering에 온라인 게재되었다(8월 25일). Phys.orgPubMed

왜 "PDCA"인가――PET의 벽과 질소를 포함한 골격

PET(폴리에틸렌 테레프탈레이트)은 가볍고 강하며, 투명하고 성형이 쉽다. "우등생"이기 때문에 회수·분해의 지연이나 미세 플라스틱 문제까지 안고 있다. 대체 후보로 PLA나 PHA 등이 있지만, 강도·내열성·가공성의 종합 점수에서 PET를 넘는 것은 쉽지 않다.

여기서 주목받는 것이 피리딘 고리를 가진 PDCA다. 골격에 질소(N)를 포함하여 분자 간 상호작용의 설계 여지가 넓어지고, 고성능 폴리머의 구성 단위로서 매력적이지만, 바이오 생산의 효율이 걸림돌이었다. 고베 대학 팀은 이 병목에 "세포의 질소 대사를 동원하는"이라는 대사 공학상의 발상 전환으로 도전했다. Phys.org고베 대학

무엇이 새로운가――"부생성물 없음"의 클린 합성과 7배 이상의 농도

논문에 따르면, 연구팀은 p-아미노안식향산(PABA) 경로를 기반으로, 외래 효소 AhdA와 개량형 PobA를 단계적으로 조합하여, 글루코스→PABA→PDCA의 직결 생합성을 확립했다. 시험관에서는 72시간에 1.84 g/L, 바이오리액터에서는 144시간에 10.6 g/L을 달성했다. 이는 종래 보고보다 7배 이상의 농도에 해당하며, 스케일감 있는 발효 생산의 기준을 처음으로 제시했다고 할 수 있다. 더욱 중요한 것은, 원치 않는 부생성물을 내지 않는 경로 설계로, 하류 정제의 부담 경감이 기대된다는 점이다. PubMed고베 대학

연구 그룹은 "질소를 흡수하는 대사 반응을 이용하여, 부생성물 없이 목적물을 합성할 수 있다"고 밝혔다(고베 대학 발표에서). 고베 대학

극복한 "보스전"――H₂O₂에 의한 효소 비활성

그러나, 길은 순탄하지 않았다. 도입 효소 중 하나가 반응의 부과정에서 과산화수소(H₂O₂)를 생성하고, 생성된 H₂O₂가 효소를 공격하여 비활성화하는 "자기 붕괴" 병목이 가로막았다. 연구팀은 배양 조건을 조정하고, H₂O₂ 스캐빈저를 첨가하여 해결했다. 공장 규모에서는 첨가제의 비용과 물류가 과제가 되지만, 프로세스 제어나 촉매 개량으로 대체적으로 해결할 여지도 있다. 고베 대학

"PET 초월"의 의미――소재 설계의 관점에서

Phys.org는, "PDCA를 포함한 소재는 PET에 필적하거나 능가하는 물성"을 강조한다. 여기서의 포인트는 "PDCA＝완제품 플라스틱"이 아니라 "고성능 폴리머를 구성하는 빌딩 블록"이라는 점이다. 공중합 비율이나 첨가제 설계에 따라 강성·내열·내충격의 최적점이 움직이기 때문에, PET 병을 그대로 대체하는 것이 아니라, 필름·섬유·엔지니어링 플라스틱 등 용도별로 승리 전략을 찾는 단계에 들어갔다고 볼 수 있다. Phys.org

실현까지의 "다음 장애물"

1. 원료·발효의 비용: 10.6 g/L은 강력하지만, 갤런당 얼마로 떨어질지가 승부. 당 자원의 지속 가능성이나 부류 원료(셀룰로오스 당화액 등)의 적용도 열쇠. PubMed

2. 하류 정제(DSP): 부생성물이 적은 이점을 살려, 추출·결정화의 에너지 절약화를 추구할 수 있다.

3. 중합·성형의 호환성: 기존 라인(용융, 연신, 사출, 섬유 방사)으로 최소 개수로 적합할 수 있는지.

4. 분해 시나리오의 규격화: 어떤 조건에서, 어느 정도의 시간에 분해되는지(퇴비화, 토양, 해수 등)을 국제 표준에 맞춰 검증.

5. LCA/PCF: **라이프사이클 평가(LCA)와 제품 탄소 발자국(PCF)**으로, 석유 유래 PET에 대한 CO₂ 저감 폭을 정량화. 규제·인센티브 설계에도 직결.

고베 대학은 **"바이오리액터에서 충분한 양을 얻을 수 있음을 보여주어, 실용화의 길이 보인다"고 말한다. 산학 연계로 촉매 내성이 높은 효소 개량이나 배양 제어**를 진행하면, 스캐빈저 의존도는 낮출 수 있을 것이다. 고베 대학

기존 바이오플라와의 위치

• PLA/PHA: 생분해성에서는 선행하지만, 내열·충격의 면에서 용도가 제한되는 경우가 많다.

• PDCA계: 질소 함유의 방향족 골격을 활용하여, 고강성이나 내열성에 강점을 발휘할 수 있는 설계 여지가 있다. 고베 대학은 2024년에도 **"고품질 그린 플라스틱의 미생물 공장"을 발표하였으며, 연속 프로세스화나 소재 설계의 선택지**를 쌓아가고 있다. 고베 대학

데이터로 읽는 돌파구

• 1.84 g/L(72h, 시험관) → 10.6 g/L(144h, 바이오리액터): 시간·스케일에 비례하여 견실하게 성장. **발효 생산의 "전망선"**으로 유망. PubMed

• "7배 초과": 종래 보고 대비 농도 개선은, 하류 비용의 감소와 자본 효율에 직결. 고베 대학

• "부생성물 없음" 지향: 분리·정제의 에너지 절약에 효과적. Phys.org

SNS의 반응을 읽어보기

해외 게시판Reddit의 과학 게시판에서는, "이것을 3D 프린터에 걸어보고 싶다"는 기술자 성향의 기대와, "핵심은 생산 속도와 산업 규모. 아직 돌파구라고 부를 수 있을지는 신중해야 한다"는 실무적인 시각의 댓글이 혼재했다. 논의는 양산성·LCA·용도 개척에 집중되어 있으며, "강