[신소재 신기술(213)] 플라스틱병, 진통제로 되살아나다⋯미생물 공정의 도전 – 포커스온경제

핵심 요약

영국 에든버러대 스티븐 월리스 교수 연구팀은 21일(현지시간) PET(폴리에틸렌 테레프탈레이트) 폐기물을 분해해 얻은 화합물을 유전적으로 설계한 대장균(E. coli)에 공급해 파라세타몰(아세트아미노펜)로 전환하는 데 성공했다고 밝혔다. 실험실 조건에서 전환 수율은 약 92%였으며, 전 과정은 하루 이내에 완료됐다. 해당 연구는 국제 학술지 네이처에 발표됐고, 폐플라스틱을 의약품 원료로 재활용할 가능성을 제시했다.

핵심 사실

• 연구진: 에든버러대 스티븐 월리스 교수 연구팀이 주도했으며 연구 결과는 네이처(Nature)에 게재됐다.
• 원료·수율: 플라스틱병 주성분인 PET를 분해해 얻은 분자를 대장균에 공급해 파라세타몰로 전환, 실험실 수율은 약 92%를 보고했다.
• 반응 경로: 세포 내부에서 로센 전위(Lossen rearrangement)가 비효소적 경로로 일어나 PABA(파라아미노벤조산)가 생성됐고, 이를 추가 유전자로 파라세타몰로 이어지게 했다.
• 공정 시간: 최적 조건에서 PET 유래 분자에서 파라세타몰까지 전환이 하루 이내에 완료됐다.
• 안전성·통제: 연구에 사용된 대장균은 폐쇄된 실험실 균주로 외부 방출 가능성은 없다고 밝혔다.
• 상용화 과제: 대규모 발효 시 공정 제어(온도·산소·불순물), 경제성, 생애주기평가(LCA), 규제 검증이 필요하다.

사건 배경

파라세타몰은 WHO가 지정한 필수의약품으로 전 세계에서 널리 쓰이는 진통·해열제다. 현재 산업적 생산은 주로 석유화학 공정을 통해 이뤄지며 핵심 원료는 원유에서 추출된다. 반면 PET는 전 세계적으로 대량으로 배출되는 플라스틱 폐기물이며 기존 재활용 체계는 주로 기계적 재생이나 다운사이클링에 머무르는 경우가 많았다.

최근 몇 년간 화학·생물학 융합을 통한 ‘업사이클링’ 연구가 활발해졌고, 미생물을 이용해 비전통적 탄소원을 가치 있는 화학품으로 전환하려는 시도가 늘어났다. 그러나 산업적 채택을 위해서는 실험실 성과를 수천톤 규모의 발효공정으로 확장하는 동안 발생하는 공정 제어, 불순물 관리, 규제 승인이 해결되어야 한다. 또한 경제성 분석과 전체 탄소흐름을 평가하는 LCA가 상용화 판단의 핵심이 된다.

주요 사건

연구팀은 먼저 폐PET를 미세 조각으로 분쇄한 뒤 비교적 온화한 화학 반응을 통해 미생물이 흡수할 수 있는 수용성 분자로 전환했다. 이 전처리 단계는 미생물이 직접 고분자를 분해하는 대신, 미생물에 공급하기 적합한 형태로 변환하는 역할을 한다. 이후 연구진은 특정 대사 경로가 결핍된 대장균을 설계해, 플라스틱 유래 분자를 섭취하지 않으면 생존할 수 없도록 선택압을 부여했다.

세포 내부에서는 로센 전위로 알려진 비효소적 화학 반응이 자연스럽게 진행되며 PABA를 생성했고, 연구진은 토양 미생물과 곰팡이 유래 유전자를 도입해 PABA에서 파라세타몰로 이어지는 경로를 확장했다. 이같은 경로 통합으로 최적 조건에서 전 과정이 하루 이내에 완료되었고 실험실 수율은 약 92%에 달했다. 연구진은 생성된 파라세타몰이 화학적으로 기존 제품과 동일하다고 밝혔다.

연구팀은 또한 사용된 대장균 균주가 폐쇄된 실험 환경에서만 운용되는 안전한 균주라고 설명했고, 외부 방출 가능성은 없다는 점을 강조했다. 그러나 이 기술을 산업적으로 적용하려면 발효탱크 수천톤 단위로 확장할 때 발생하는 온도·산소·영양·불순물 관리 같은 공정적 난제가 남아있다.

분석 및 의미

이번 연구는 폐플라스틱을 고부가가치 의약품 원료로 전환하는 개념을 실험적으로 입증했다는 점에서 의미가 크다. 폐기물의 자원화는 순환경제 원칙에 부합하고, 화석연료 기반 원료 의존도를 낮추는 잠재력을 가진다. 특히 파라세타몰처럼 대량 소비되는 필수의약품은 원료 공급망의 다변화가 사회적 가치로 연결될 수 있다.

다만 실증에서 상업화로 넘어가는 과정에는 경제적·기술적 장벽이 많다. 연구실 규모에서는 92%의 수율을 달성했지만, 대규모 발효에서는 희석·불순물·효소 안정성 등으로 수율이 떨어질 수 있다. 또한 발효공정의 에너지와 원재료 투입을 포함한 전과정(LCA)에서 온실가스 감축 효과가 실제로 유의미한지 검증해야 한다.

규제 측면에서도 미생물 기반 의약품 원료는 품질·안전성·일관성 검증이 필수다. 생산된 파라세타몰이 기존 석유화학 공정 제품과 동등한 순도와 안전성을 일관되게 제공할 수 있어야 하고, 이를 입증하기 위한 임상 및 품질관리 절차가 요구된다. 이 과정에서 규제기관의 가이드라인과 산업계의 표준화가 중요한 역할을 할 것이다.

비교 및 데이터

위 표는 실험실 결과(92% 수율, 하루 이내 전환)와 전통적 석유화학 공정의 특성을 정성·정량 요소로 비교한 것이다. 석유화학 공정의 구체적 수율과 환경영향은 공정 설계에 따라 크게 달라지므로, 정확한 비교를 위해서는 동일한 경계의 LCA와 경제성 분석이 필요하다. 연구팀의 결과는 가능성을 보여준 것이며, 상용화 평가에서는 추가적인 수치 검증이 요구된다.

반응 및 인용

연구 발표 직후 연구진은 폐플라스틱 문제와 의약품 공급이라는 두 과제를 동시에 다룰 수 있는 잠재력을 강조했다. 다만 상용화를 위해서는 추가 연구와 엄격한 검증이 필요하다는 점도 명확히 했다.

“화학과 생물학을 통합하면 폐기물 문제와 의약품 공급 문제를 동시에 해결할 실마리를 찾을 수 있다.”

에든버러대 스티븐 월리스 연구팀(연구진)

한편 논문은 실험실 성과의 중요성을 인정하면서도 대규모 공정 전환 시 해결해야 할 공정 안정성·규제 검증·환경영향평가의 필요성을 반복했다. 규제기관의 검증과 산업적 반복 실험 없이 상용화로 직행하기 어렵다는 신중한 평가가 이어지고 있다.

“연구는 기초적 가능성을 보여주지만, 대규모 발효와 규제 검증이 남아 있다.”

네이처 논문(학술지 요지)

불확실한 부분 (Unconfirmed)

• 대규모(수천 톤) 발효로 확대했을 때 실험실 수율 92%가 유지될지 여부는 확인되지 않았다.
• 실제 전과정 생애주기평가(LCA)에서 온실가스 감축 효과가 어느 수준인지 아직 공개된 종합 분석은 없다.
• 미생물 기반 원료가 규제기관의 품질·안전성 요구를 일관되게 충족할 수 있는지 검증이 필요하다.
• 전처리 단계에서 발생하는 불순물과 이로 인한 정제비용이 상업경제성에 미치는 영향은 불확실하다.

총평

에든버러대 연구는 폐PET를 출발물질로 삼아 세계적으로 수요가 큰 필수의약품을 미생물 공정으로 생산할 수 있음을 실험적으로 보여주었다는 점에서 기술적·개념적 진전이다. 폐기물을 원료로 전환해 자원순환과 의약품 공급망의 회복력을 동시에 제고할 잠재력을 제시했다.

다만 이 성과를 산업적·사회적 가치로 연결하려면 스케일업, 경제성, 규제·품질 검증, LCA 등 다층적 평가가 필요하다. 향후 연구는 대규모 연속발효 실험, 정제·품질관리 표준화, 그리고 실효성 있는 LCA를 통해 상용화 가능성을 객관적으로 입증하는 방향으로 진행되어야 한다.

출처

• 포커스온경제(언론)
• Nature(학술지)
• University of Edinburgh(공식 발표)