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두 명의 브라질인이 포함된 국제 과학자 그룹의 발견은 물질로 인한 오염을 최소화하는 데 도움이 될 수 있습니다

캄피나스 대학교(Unicamp)의 두 브라질인이 참여하는 국제 과학자 그룹은 PET 플라스틱인 폴리에틸렌 테레프탈레이트를 섭취할 수 있는 효소인 PETase의 성능을 개선하는 데 성공했습니다. 2016년 새로운 박테리아 종에서 PETase가 발견된 후 연구진은 효소의 구조를 파악하고 작동 원리를 이해하기 위해 노력했습니다. 그 과정에서 우연히 그들은 PET에 더 큰 친화력, 즉 플라스틱을 분해할 가능성이 더 큰 효소의 돌연변이를 만들어 냈습니다.

이 작업은 매년 480만에서 1270만 톤의 플라스틱이 바다로 방출되는 것으로 추정되기 때문에 실제 사용에 대한 엄청난 잠재력을 가지고 있습니다. 지구상에서 가장 외딴 해변에도 쌓이는 플라스틱은 환경을 가장 위협하는 열화에 대한 저항성 때문에 정확하게 사용됩니다. 예를 들어 PET 병은 버려지면 800년 동안 환경에 남아 있을 수 있으며, 증가하고 있는 미세 플라스틱 문제도 있습니다.

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이 모든 사실로 인해 폴리에틸렌 테레프탈레이트를 소화할 수 있는 효소의 발견으로 인해 야기된 큰 관심을 이해하기 쉽습니다. PETase라고 불리는 이 효소는 이제 플라스틱을 분해하는 능력을 증가시켰습니다. 참신함은 에 발표된 기사에 설명되어 있습니다. 미국 국립 과학 아카데미의 절차 (PNAS).

영국(University of Portsmouth) 및 미국(National Renewable Energy Laboratory)의 연구원들과 공동으로 Campinas 주립대학교(IQ-Unicamp) 화학 연구소의 두 연구원이 이 연구에 참여했습니다. 그들은 박사후 과정 학생인 Rodrigo Leandro Silveira와 그의 상사이자 Unicamp Munir Salomão Skaf의 주임교수이자 연구 학과장입니다.

“주로 음료수 병 제조에 사용되는 폴리에틸렌 테레프탈레이트는 의류, 양탄자 및 기타 물품 제조에도 널리 사용됩니다. 우리 연구에서 우리는 이 플라스틱을 소화할 수 있는 효소의 3차원 구조를 특성화하고, 분해 능력을 증가시켜 이를 조작했으며, 폴리에틸렌-2,5-푸란디카르복실레이트(PEF), 재생 가능한 원료로 제조된 PET를 대체할 수 있습니다.”라고 Silveira는 Agencia FAPESP에 말했습니다.

PETase에 대한 관심은 2016년 Shosuke Yoshida가 이끄는 일본 연구원 그룹이 새로운 박테리아 종을 확인하면서 나타났습니다. 이데오넬라 사카이엔시스, 탄소와 에너지원으로 폴리에틸렌 테레프탈레이트를 사용할 수 있습니다. 즉, PET를 먹일 수 있습니다. 현재까지 이 능력을 가진 유일한 알려진 유기체입니다. 말 그대로 PET에서 자랍니다.

"를 식별하는 것 외에도 이데오넬라 사카이엔시스, 일본인은 환경으로 분비되는 두 가지 효소를 생산한다는 것을 발견했습니다. 분비된 효소 중 하나는 정확히 PETase였습니다. PET는 어느 정도 결정화도를 가지고 있어 분해가 매우 어려운 고분자입니다. 우리는 엄밀하게 포장된 특정 폴리머가 분해에 저항해야 하는 특성을 명명하기 위해 기술적으로 '난연성'이라는 용어를 사용합니다. PET도 그 중 하나입니다. 그러나 PETase는 이를 공격하여 모노(2-하이드록시에틸) 테레프탈산(MHET)이라는 작은 단위로 분해합니다. 그런 다음 MHET 단위는 [두 번째 효소에 의해] 테레프탈산으로 전환되고 박테리아에 의해 흡수되고 대사됩니다.”라고 Silveira가 말했습니다.

알려진 모든 생물은 생존을 위해 생체 분자를 사용합니다. 인간이 만든 합성 분자를 사용하는 Ideonella sakaiensis를 제외하고 모두. 이것은 이 박테리아가 지난 수십 년 동안 일어난 매우 최근의 진화 과정의 결과라는 것을 의미합니다. 1940년대 초에 개발되어 1970년대에야 산업적 규모로 사용되기 시작한 폴리머에 적응하는데 PETase가 핵심입니다.

“PETase는 결정 구조를 깨고 PET를 MHET로 해중합하는 가장 어려운 부분을 수행합니다. MHET를 테레프탈산으로 변환하는 두 번째 효소의 작업은 반응 매질에 분산되어 있어 효소에 쉽게 접근할 수 있는 단량체에 의해 기질이 형성되기 때문에 이미 훨씬 간단합니다. 따라서 연구는 PETase에 초점을 맞췄습니다.”라고 Silveira는 설명했습니다.

다음 단계는 PETase를 자세히 연구하는 것이었고 이것이 새로운 연구의 공헌이었습니다. “우리의 초점은 PETase가 다른 효소가 매우 효율적으로 할 수 없었던 일을 할 수 있는 능력을 부여한 것을 찾는 것이었습니다. 이를 위한 첫 번째 단계는 이 단백질의 3차원 구조를 얻는 것”이라고 말했다.

“3차원 구조를 얻는다는 것은 거대분자를 구성하는 수천 개의 원자 각각의 x, y, z 좌표를 찾는 것을 의미합니다. 우리 영국 동료들은 X선 회절이라는 잘 알려져 있고 널리 사용되는 기술을 사용하여 이 작업을 수행했습니다.”라고 그는 설명했습니다.

변형된 효소는 폴리머에 더 잘 결합합니다.

일단 3차원 구조가 얻어지면 연구자들은 PETase를 관련 단백질과 비교하기 시작했습니다. 가장 가까운 것은 식물 잎을 덮는 천연 광택제의 일종인 큐틴을 분해하는 박테리아 Thermobifida fusca의 큐티나제입니다. 특정 병원성 미생물은 큐티나제를 사용하여 큐틴 장벽을 파괴하고 잎에 존재하는 영양소를 적절하게 사용합니다.

이미지: 파란색 PETase 구조, 활성 부위에 PET 사슬(노란색)이 부착되어 분해됩니다. 보도 자료/Rodrigo Leandro Silveira.

“우리는 화학 반응이 일어나는 효소 영역, 이른바 '활성 부위'에서 PETase가 큐티나제와 관련하여 약간의 차이가 있음을 발견했습니다. 더 열린 활성 사이트가 있습니다. 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 – 그리고 이것이 내가 가장 기여한 부분 – 우리는 효소의 분자 운동을 연구할 수 있었습니다. X선 회절로 얻은 결정 구조는 정적인 정보를 제공하지만 시뮬레이션을 통해 동적인 정보를 얻을 수 있고 PET 분해 과정에서 각 아미노산의 특정 역할을 발견할 수 있습니다.”라고 IQ-Unicamp의 연구원이 설명했습니다.

분자 운동의 물리학은 거대한 원자 배열과 온도의 정전기적 인력과 반발력으로 인해 발생합니다. 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 PETase가 PET와 결합하고 상호 작용하는 방식을 더 잘 이해할 수 있었습니다.

“우리는 PETase와 cutinase가 활성 부위에 두 개의 다른 아미노산을 가지고 있음을 발견했습니다. 분자 생물학 절차를 사용하여 PETase에서 돌연변이를 생성하고 이를 큐티나제로 변환하는 것을 목표로 합니다.”라고 Silveira가 말했습니다.

“만약 우리가 이것을 할 수 있다면 PETase가 PETase인 이유를 보여줄 것입니다. 그러나 놀랍게도 PETase의 독특한 활성을 억제하려는 시도, 즉 PETase를 큐티나제로 전환하려는 시도를 통해 우리는 훨씬 더 활성인 PETase를 생성합니다. 우리는 활동을 줄이는 대신에 그것을 늘렸습니다.”라고 그는 말했습니다.

이것은 돌연변이 PETase가 원래 PETase보다 나은 이유를 이해하기 위해 추가 계산 연구가 필요했습니다. 모델링 및 시뮬레이션을 통해 PETase에서 생성된 변화가 효소와 기질의 결합을 선호한다는 것을 알 수 있었습니다.

변형된 효소는 폴리머에 더 잘 결합합니다. 이 커플링은 기하학적 요인, 즉 두 분자 사이의 "열쇠 및 잠금" 유형 맞춤에 따라 달라집니다. 그러나 또한 열역학적 요인, 즉 효소의 다양한 구성 요소와 고분자 간의 상호 작용도 있습니다. 이것을 설명하는 우아한 방법은 변형된 PETase가 기질에 대해 "더 큰 친화력"을 갖는다고 말하는 것입니다.

미래의 실제 적용 측면에서, 수많은 플라스틱 폐기물을 분해할 수 있는 성분을 얻는 연구는 큰 성공을 거두었습니다. 그러나 무엇이 PETase를 PETase로 만드는가에 대한 질문은 아직 풀리지 않은 채로 남아 있습니다.

“Cutinase에는 아미노산이 있고 b. PETase에는 아미노산 x와 y가 있습니다. x와 y를 a와 b로 교환하여 PETase를 큐티나제로 변환할 수 있다고 상상합니다. 대신 우리는 개선된 PETase를 생산합니다. 다시 말해서, 두 아미노산은 두 효소의 차등적 행동에 대한 설명이 아닙니다. 그것은 또 다른 것입니다.”라고 Silveira가 말했습니다.

지속적인 진화

Cutinase는 고대 효소인 반면 PETase는 현대 효소로 이데오넬라 사카이엔시스 탄소 및 에너지원으로 폴리에틸렌 테레프탈레이트만 또는 주로 포함하는 환경에 적응합니다.

이 폴리머를 사용할 수 없는 많은 박테리아 중에서 일부 돌연변이는 그렇게 할 수 있는 종을 생성했습니다. 이 박테리아는 충분한 음식을 가지고 있었기 때문에 다른 박테리아보다 훨씬 더 많이 번식하고 성장하기 시작했습니다. 그것으로 그녀는 발전했습니다. 적어도 그것은 표준 진화론이 제공하는 설명입니다.

“작은 변화를 통해 더 나은 효소를 얻었다는 사실은 이 진화가 아직 완료되지 않았음을 강력하게 시사합니다. 훨씬 더 효율적인 효소를 얻기 위해 이해하고 탐구해야 할 새로운 진화적 가능성이 여전히 있습니다. 개선된 PETase는 끝이 아닙니다. 이제 시작에 불과합니다.”라고 Silveira가 말했습니다.

적용 측면에서 다음 단계는 실험실에서 산업 규모로 이동하는 것입니다. 이를 위해서는 원자로 엔지니어링, 공정 최적화 및 비용 절감과 관련된 다른 연구가 필요할 것입니다.