미생물이 플라스틱을 분해하는 효소의 원리는?
연구 결과 중에 플라스틱을 먹는 박테리아가 발견이 됬다고 하는데, 어떤 효소가 고분자 사슬을 끊어 플라스틱을 분해하는지 궁금합니다.
안녕하세요. 이성현 전문가입니다.
플라스틱을 분해하는 미생물 효소의 핵심 원리는, 긴 고분자 사슬에 들어 있는 “에스터 결합이나 우레탄 결합 같은 화학 결합”을 물로 끊어 주는 가수분해 반응입니다.
대표적인 예로 PET(페트병 재질)를 분해하는 박테리아 Ideonella sakaiensis가 만드는 PETase와 MHETase가 있습니다.
PETase는 PET의 에스터 결합을 잘라서 MHET 같은 중간산물로 만들고, MHETase는 그것을 다시 테레프탈산(TPA)과 에틸렌글리콜(EG)로 분해합니다.
이 효소들은 활성 부위(active site)에 세린·히스티딘·아스파트산으로 이루어진 촉매 삼합체를 가지고, 물 분자를 이용해 결합을 끊습니다.
자연계에 흔한 식물성 폴리에스터(쿠틴, 서브린 등)와 구조가 비슷한 결합을 플라스틱도 일부 가지고 있기 때문에, 미생물의 기존 효소가 진화·변형되어 플라스틱도 인식하게 된 것으로 봅니다.미생물의 효소가 플라스틱을 분해하는 원리는 거대 고분자 사슬을 지탱하는 에스테르 결합을 가수분해하여 미생물이 흡수 가능한 단량체로 잘게 쪼개는 것입니다. 대표적인 분해 효소인 페트에이스는 플라스틱 표면에 결합한 뒤 물 분자를 이용해 탄소와 산소 사이의 단단한 연결 고리를 끊어내는 생화학적 가위 역할을 수행합니다. 이 과정을 통해 분해되기 어려운 플라스틱 중합체는 테레프탈산과 에틸렌글리콜 같은 단순한 물질로 변환되어 미생물의 에너지원으로 대사되는 것입니다.
플라스틱을 먹는 박테리아인 이데오넬라 사카이엔시스는 효소로 플라스틱을 분해하게 됩니다.
첫 번째 효소인 PETase가 긴 플라스틱 사슬의 에스테르 결합을 끊어 중간 단계인 MHET 분자로 조각냅니다. 이어지는 두 번째 효소 MHETase는 이를 다시 테레프탈산과 에틸렌글리콜이라는 기초 원료로 완전히 쪼개버립니다.
이 과정은 물을 이용해 결합을 끊는 가수분해 방식으로 박테리아는 분해된 성분을 먹이로 하여 에너지를 만듭니다.
안녕하세요.
질문해주신 것과 같이 미생물이 플라스틱을 분해하는 경우는 플라스틱의 고분자 결합 중 일부가 자연 고분자와 화학적으로 유사한 결합을 가지고 있기 때문입니다.
대표적인 예시로는 PET 분해 박테리아가 있는데요, 일본에서 분리된 Ideonella sakaiensis는 PET을 분해할 수 있는 PETase라는 효소를 가지고 있습니다. PETase는 본질적으로 에스터 결합을 가수분해하는 효소인데요, PET 플라스틱의 주사슬에는 테레프탈산과 에틸렌글리콜이 에스터 결합으로 연결되어 있는데, 이 결합은 식물의 큐틴이나 왁스류에 존재하는 에스터 결합과 화학적으로 매우 유사합니다. 즉 PETase는 완전히 새로운 효소라기보다는, 원래 식물 표면 폴리에스터를 분해하던 큐티나아제 계열 효소가 변형된 형태로 이해됩니다. 활성 부위에는 세린-히스티딘-아스파트산으로 구성된 전형적인 가수분해 효소의 촉매 삼합체가 존재하며, 이 구조가 에스터 결합을 공격해 고분자 사슬을 절단합니다. 감사합니다.