바이오매스(Biomass)란 광합성에 의하여 빛에너지가 화학에너지로 축적되어 생성되는 다양한 식물 및 조류 자원을 일컫습니다. 광범위한 의미에서 바이오매스는 산업 활동에서 발생하는 모든 유기 폐기물을 포함합니다. 우리 연구실은 바이오매스 유래의 기능성 식품소재 및 산업소재 생산을 위한 신규 생화학공정을 개발하는 연구를 진행하고 있습니다.
바이오매스는 물리/화학적 전처리를 통해 생물공정에 활용할 수 있는 원료로 준비되며, 생명공학적 공정을 통해 소재물질로 전환됩니다. 우리 연구실에서는 효과적인 공정 설계를 위해 신규 대사경로 발굴 및 효소활성확인, 대사공학 기반의 균주 개량, 생물 촉매 시스템의 반응 최적화 등의 방법을 이용하고 있습니다.
대표적으로 우리 연구실에서는 홍조류(red microalgae) 바이오매스를 구성하는 주요 탄수화물 성분인 우무(Agar)에서 기능성 희귀당인 3,6-anhydro-L-galctose (L-AHG)를 생산하는 연구를 진행해왔습니다. L-AHG는 미백, 보습, 항산화, 항염증 등의 생리학적 활성이 입증되어 고기능성 화장품 소재로 등록된 기능성 소재입니다.
또한 L-AHG를 기질로 재조합 효모의 생물전환을 공정을 이용하여 AHGol을 생산하였으며 추가적인 화학반응을 통해 플라스틱 소재로 사용되는 플랫폼 화합물인 아이소소바이드(Isosorbide)를 생산하는 연구를 진행하였습니다.
Overall scheme for AHGol production from red macroalgae (본 연구실 선행결과, Green Chemistry 22(5):1776-1785, 2020, IF=10.182)
플라스틱은 열이나 압력으로 변형시켜 성형할 수 있는 고분자 물질로 뛰어난 물성과 함께 값싸고 가벼운 특성으로 인해 일상과 산업에서 광범위하게 사용되고 있으나 폐플라스틱은 자연적으로 분해되는데 오랜 시간이 필요하여 심각한 환경문제를 야기하고 있습니다.
우리 연구실은 생물공학적으로 폐플라스틱을 재활용하는 새로운 전략을 제시하고 있습니다. 폐플라스틱을 재활용 공정은 중합체인 플라스틱을 화학적 전처리와 효소반응을 통해 저분자로 전환하는 원료화 단계와 생산된 저분자 플라스틱을 고부가가치 물질로 전환하는 소재화 단계로 구성됩니다. 우리 연구실에서는 대표적으로 Poly(ethylene terephthalate) (PET)의 재활용을 위한 원료화 연구를 진행하였습니다.
먼저 PET를 글리콜분해(Glycolysis)를 통해 화학적으로 전처리하고 중간산물인 BHET 및 PET 올리고머를 PET 분해 효소를 사용해 테레프탈산으로 분해하는 화학-생물 복합공정을 개발하였습니다. 위 과정에서 생체적합한 촉매인 베타인을 이용하여 후단에 있는 효소적 분해공정과 전세포전환 공정이 효과적으로 연결되는 공정을 설계했습니다.
또한 테레프탈산을 전세포전환을 통해 카테콜, 뮤콘산 및 바닐산으로 이루어진 화합물을 생산하는 방법을 보고했습니다. 이러한 연구는 식품 포장 및 음료 용기로 사용되는 플라스틱의 재활용에 기여할 것이라 기대됩니다.
Overall scheme of waste PET biorefinery for upcycling PET (본 연구실 선행결과, ACS Catalysis 11(7):3996-4008, 2021, IF=13.084)
