현대 사회에서 플라스틱은 가벼우면서도 튼튼하며 내구성과 열 안정성과 같은 장점으로 일회용품, 포장, 가구, 의료 및 산업 분야에서 널리 사용되는 중요한 재료이다. 그러나 플라스틱 폐기물의 환경적 축적과 이에 따른 오염 문제를 줄이기 위해 플라스틱과 유사한 특성을 갖는 여러 생분해성 고분자인 폴리(락타이드), 폴리하이드록시알카노에이트 (PHAs), 폴리(프로피올락톤), 폴리(ε-카프로락톤), 폴리(에틸렌 석시네이트), 폴리(부틸렌 석시네이트) 등이 개발되고 있다. PHAs는 환경에서 탄소 원과 다른 영양소가 제한된 조건에서 미생물이 에너지 및 탄소 저장을 위해 합성하는 고분자 물질이다. poly(3-hydroxybutyrate) (PHB)는 3-hydroxybutyrate (3HB)의 중합체로 구성되어 있으며 현재 가장 널리 연구되는 PHAs 종류 중 하나이다. 그러나 PHB는 결정성이 높고 쉽게 파괴되는 특성으로 인해 사용 및 응용 범위가 제한적이다. PHAs는 기존의 합성 플라스틱과 유사한 특성을 가지면서도 생분해성 특성을 갖고 있어 환경에 배출되었을 때 분해가 가능하다. 이러한 특징으로 인해 PHAs는 의료 및 제약 분야를 포함한 응용 분야에서도 관심을 받고 있다.
<h1>서론</h1> <p>현대사회에서 플라스틱은 가볍고 견고하며 내구성, 열 안정성 등의 장점으로 일회용품, 포장, 가구, 의료 및 산업 분야에서 광범위하게 응용되고 있는 매우 중요한 재료이다. 그러나 플라스틱 폐기물의 환경에 대한 축적과 그에 따른 오염문제를 줄이기 위해 플라스틱과 유사한 성질을 갖는 poly (lactide), polyhydroxyalkanoates (PHAs), poly(propiolactone), poly (e-caprolactone), poly (ethylene succi-nate), poly (butylene succinate) 등 여러 biopolymer의 개발이 진행되고 있다[23]. 특히 다양한 미생물에 의해 생산되는 PHAs는 구성하는 단위체에 따라 열가소성 플라스틱, 고무탄성체, 접착성 등의 다양한 물성과 생분해성, 생체 적합성 및 해양에서 분해가 가능한 특성으로 인해 석유 기반 합성플라스틱에 대한 중요한 대안으로 고려되고 있다.</p> <p>PHAs는 과량의 탄소원이 존재하고 다른 필수영양소가 제한되는 불균형 환경에서 미생물이 탄소원 또는 에너지원 저장을 위한 지질 내포체로 합성하는 고분자 물질이다. 산업 규모로 생산되고 있는 PHAs는 Cupriavidus neca-tor, Psendomonas sp., 재조합 Escherichia coli 등 Gram 음성 세균을 이용하여 생산되고 있다. 인체에서 면역반응을 유도하는 lipopolysaccharide (LPS)와 같은 내독소를 갖고 있는 Gram 음성 미생물이 생합성하는 PHAs는 고분자 정제 과정에서 LPS가 잔류하고 있을 가능성을 배제할 수 없으며 따라서 생체, 의료적 사용에는 적합하지 않다. 반면 Corynebacterium sp., Nocardia sp., Bacillus sp. 등 Gram 양성 세균들은 LPS가 존재하지 않아 인체에 사용된 후 면역반응을 유도하지 않기 때문에 의학 또는 상업적으로 중요한 biopolymer인 PHAs를 생합성하는 균주로써 이용 가능성이 높다.</p> <p>3-hydroxybutyrate (3HB)의 중합체로 이루어진 poly (3HB) (PHB)는 현재 가장 널리 연구되고 있는 PHAs의 한 종류이나 결정성이 높고 부서지기 쉬운 성질로 인해 사용 및 응용범위에 제한적이다. 따라서 PHB에 다른 단위체(monomer) 인 3-hydroxyvalerate(3HV), 3-hydroxyhexanoate, 3-hydroxyoctanoate 등을 중합한 copolymer를 형성하여 PHB의 단점을 보완한 결정성, 녹는점, 강성, 인성과 같은 고분자의 특성이 향상된 copolymer 합성 연구가 진행되고있다. Copolymer 중 가장 잘 알려진 poly (3HB-co-3HV) PHBV는 PHB보다 결정성과 녹는점이 낮고 강성이 감소하여 유연성을 가지고 있어 보다 광범위하게 응용될 수 있다. 이전의 연구에서 PHBV 생합성을 위한 보조탄소원 비 의존 돌연변이 Alcaligenes sp. 와 제조합 E. coli에 의해 보조탄소원의 첨가 없이 PHBV를 생합성 함을 보고하였다. 그러나 대부분의 미생물에서 PHBV를 생 합성하기 위해서는 3HV의 전구체인 propionic acid, valeric acid, 또는 levulinic acid 등과 같은 보조탄소원을 배지 내에 첨가해 주어야 한다. PHBV는 세포내에서 3-hy-droxybutyryl-CoA와 3-hydroxyvaleryl-CoA의 단량체가 PHA polymerase에 의해 각각 3HB와 3HV 단위체가 되어 중합되며, 3-hydroxyvaleryl-CoA를 합성하기 위해서 pro-pionyl-CoA 를 생성할 수 있는 전구체의 첨가가 필요하다. 전구체는 홀수의 탄소수를 갖는 지방족 지방산(propionic acid, valeric acid, levulinic acid)이 3HV의 합성을 위한 전구체로 사용되나 이들은 독성이 강하여 세포의 생장을 억제한다는 단점이 있다.</p> <p>PHAs는 기존 합성 플라스틱과 유사한 특성을 지니고 있는 동시에 생분해성의 특징을 갖고 있어 환경에 배출되어도 분해가 가능하며, 박테리아가 생합성하는 생체적합성 소재로서 인체에 사용되는 의료, 제약 분야에서도 주목받고 있다. 이러한 장점에도 불구하고 PHAs가 기존 합성 플라스틱을 완전히 대체하지 못하는 가장 큰 이유는 석유기반 플라스틱과 비교하여 5~10배 높은 생산 비용이며, PHAs 생산을 위한 탄소원이 전체 생산비용의 약 \( 50 \% \)를 차지하고 있다. 따라서 유청, 감자전분, 사탕수수, 폐식용류 등의 버려지는 탄소원을 이용한 PHAs 생합성에 관한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 유기 폐기물 중 하나인 막걸리 주박(Makgeolli less, ML)은 막걸리 생산공정의 부산물로서 전분의 함량이 높아 PHAs 생합성을 위한 탄소원으로 이용하기 적합한 것으로 보고된 바 있다.</p> <p>막걸리는 한국의 전통 쌀 발효주이며 막걸리 양조 후 ML 찌꺼기가 나오게 된다. ML은 현재 산업폐기물로 지정되어 전량 폐기되거나 비료 및 사료로 일부 이용되고 있다. ML은 탄수화물, 당, 핵산 및 유기산이 풍부하여 고부가가치 산업의 원료로 이용될 수 있으며, 현재까지 ML을 이용한 식품 첨가물, 발효 산업 및 ML의 생리 활성에 대한 연구가 주를 이루고 있다. ML을 고부가 가치 산업의 소재로 이용하기 위하여 화장품이나 숙신산 생산을 위한 세균의 발효 기질로서의 연구가 진행되고 있으나, ML을 PHAs 생산을 위한 탄소원으로서 이용한 연구는 미미한 상황이다.</p> <p>지난 연구에서 본 연구진은 ML을 효소가수분해하여 생성된 환원당(ML enzymatic hydrolysate, MLEH)을 기질로 사용하여 Ralstonia eutropha H-16균주로부터 PHB 생 합성을 위한 최적 배양 조건 확립에 관한 연구 결과를 발표하였다. 본 연구에서는 PHB의 단점을 보완할 수 있는 PHBV copolymer를 생합성 하는 균주를 토양에서 분리한 뒤 MLEH와 보조탄소원을 탄소원으로 이용하여 PHBV 생합성양상 및 PHBV의 물성을 평가하였다</p>