선전첨단기술연구소의 연구진은 내부에 살아있는 박테리아가 들어 있는 플라스틱을 개발했습니다. 특정 자극을 받으면 이 박테리아가 활성화되어 플라스틱을 내부에서부터 분해합니다. 그 결과 미세 플라스틱 잔여물이 전혀 남지 않고 완전히 분해됩니다.
이 연구는 ACS Applied Polymer Materials에 게재되었습니다. 연구는 유전자 조작된 바실러스 서브틸리스(Bacillus subtilis)의 휴면 포자가 내장된 폴리카프로락톤 매트릭스를 설명합니다. 일반적인 조건에서 이 소재는 일반 플라스틱처럼 작용합니다. 특정 자극을 가하면 포자가 활성화됩니다.
박테리아 시스템의 작동 방식
이 설계는 두 가지 박테리아 균주가 순차적으로 작용하는 원리에 기반합니다. 첫 번째 균주는 긴 고분자 사슬을 더 짧은 조각으로 자르는 효소를 생성합니다. 이로써 재료 전체에 새로운 분해 경로가 만들어집니다. 두 번째 효소는 이러한 조각들의 끝부분을 공격합니다. 두 균주가 함께 작용하여 분해 속도를 가속화하고, 최종적으로는 작은 분자들만 남게 됩니다.
이 2단계 분해 메커니즘은 많은 생분해성 플라스틱에서 흔히 발생하는 문제점을 해결합니다. 일반적인 생분해성 플라스틱은 완전히 분해되기 전에 조각나는 경우가 많습니다. 이러한 조각들은 미세 플라스틱 형태로 토양과 물에 잔류합니다. 연구팀에 따르면, 선전에서 발견된 이 소재는 이러한 잔류물을 남기지 않고 완전히 분해되었습니다.
폴리카프로락톤은 비교적 쉽게 분해되는 폴리에스터입니다. 이미 3D 프린팅 필라멘트와 물에 녹는 수술용 봉합사에 사용되고 있습니다. 전 세계 플라스틱 폐기물의 대부분을 차지하는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, PET와는 상당히 다른 물질입니다. 그럼에도 불구하고, 이번 실험은 유용한 기준 결과를 제공했습니다. 포자가 내장된 필름은 표준 폴리카프로락톤과 유사한 기계적 특성을 유지했습니다. 살아있는 박테리아를 첨가해도 활성 기간 동안 재료가 약해지지 않았습니다.
활성화를 위해서는 여전히 실험실 환경이 필요합니다.
활성화 조건은 엄격하게 통제됩니다. 실험에서 연구진은 플라스틱을 약 50도 정도의 따뜻한 영양액에 넣었습니다. 그러자 포자가 활성화되었고, 필름은 6일 안에 완전히 분해되었습니다.
그러한 조건은 자연 환경에서 마주치는 어떤 상황과도 거리가 멀다. 버려진 생체 플라스틱은 매립지, 강, 또는 퇴비통에서 분해되지 않는다. 활성화를 위해서는 의도적인 개입이 필요하다. 이러한 제약은 단기적인 적용을 제한하지만, 사용 또는 보관 중 조기 분해라는 우려를 줄여준다.
연구팀은 또한 생체 플라스틱으로 착용 가능한 전극을 제작했습니다. 이 전극은 사람 팔의 근육 신호를 감지했습니다. 작동시키면 전극은 약 2주 만에 분해되었지만, 구리 회로는 손상되지 않고 그대로 남아 있었습니다. 이처럼 분해 가능한 고분자와 재활용 가능한 금속을 분리하는 것은 현재 혼합 재질로 인해 재활용이 복잡한 일회용 전자제품 처리 문제를 해결할 수 있는 잠재적인 접근 방식을 제시합니다.
이 연구가 더 넓은 연구 분야에서 차지하는 위치는 어디인가?
선전에서 진행된 이번 연구는 합성 생물학 연구의 발전에 기반을 두고 있습니다. 2019년 네이처 케미컬 바이올로지(Nature Chemical Biology)에 발표된 연구에 따르면 바실러스 서브틸리스(Bacillus subtilis) 포자가 3D 프린팅 소재 내부에서 생존하고 균열과 같은 표면 변화에 반응할 수 있는 것으로 나타났습니다. 최근 네이처 케미컬 엔지니어링(Nature Chemical Engineering)에 발표된 연구에서는 포자 기반의 살아있는 플라스틱이 고온과 유기 용매에도 견딜 수 있다는 사실이 밝혀졌습니다. 이러한 발견은 일반적인 생분해성 소재가 종종 실패하는 산업 공정 환경에 중요한 의미를 갖습니다.
선전에서 제작된 시제품은 개념 증명용입니다. 하지만 전 세계 폐기물 중 가장 큰 비중을 차지하는 플라스틱 문제를 아직 해결하지 못하고 있습니다. 이 접근 방식을 일반적인 고분자 물질에 적용하고 실험실 밖에서 실용적인 활성화 시스템을 개발하려면 상당한 추가 연구가 필요합니다.
플라스틱 오염 문제 를 주시하는 투자자와 정책 입안자들에게 중요한 질문은 필요에 따라 분해되는 기술이 제품 설계에 대규모로 통합될 수 있는지 여부입니다. 수명이 짧은 제품들은 환경 오염의 주요 원인입니다. 이러한 제품에는 의료 기기, 웨어러블 센서, 농업용 필름, 일회용 포장재 등이 있습니다. 사용 중에는 안정적인 상태를 유지하다가 지시에 따라 완전히 분해되는 소재는 제품 수명 종료 후 폐기 비용과 규제 책임을 줄일 수 있습니다.
이 연구는 아직 그 질문에 대한 답을 제시하지는 못했습니다. 하지만 이 연구는 생체 물질이 완전히 분해될 수 있고, 사용 중에도 기능적 특성을 유지할 수 있으며, 전자 기기에 적용될 수 있다는 증거를 제공합니다. 이전에는 이러한 결과들이 모두 불확실했던 부분이었습니다.
기후 및 생물다양성 전문가들은 오랫동안 미세플라스틱 오염을 환경 위험을 가중시키는 요인으로 지적해 왔습니다. 고분자 조각들은 해양 생태계, 농경지 토양, 그리고 인체 조직에 축적됩니다. 규제 기관과 연구자들은 파편화가 아닌 완전한 분해를 점점 더 요구하고 있습니다. 선전에서 진행된 이번 연구는 비록 상업적 적용까지는 아직 갈 길이 멀지만, 이러한 요구를 충족할 수 있는 유력한 방안을 제시합니다.
