폐수 박테리아는 플라스틱을 분해하여 식품으로 활용할 수 있습니다.

연구자들은 오랫동안 공통적인 환경 박테리아인 코마모나다카에(Comamonadacae)가 도시 강과 폐수 시스템 전체에 버려진 플라스틱에서 자란다는 것을 관찰해 왔습니다. 하지만 이 코마모나스 박테리아가 정확히 무엇을 하는지는 여전히 미스터리로 남아 있습니다.

이제 노스웨스턴 대학교가 이끄는 연구자들은 코마모나스 박테리아 의 세포가 플라스틱을 음식으로 분해하는 방법을 발견했습니다. 먼저, 그들은 플라스틱을 나노플라스틱이라고 불리는 작은 조각으로 씹습니다. 그런 다음, 그들은 플라스틱을 더욱 분해하는 특수 효소를 분비합니다. 마지막으로, 연구자들은 박테리아가 플라스틱의 탄소 원자 고리를 음식 공급원으로 사용한다는 것을 발견했습니다.

이번 발견은 식수를 오염시키고 야생 동물에 해를 끼치는 제거하기 어려운 플라스틱 폐기물을 청소하는 데 도움이 되는 박테리아 기반 엔지니어링 솔루션을 개발할 수 있는 새로운 가능성을 열어줍니다.

해당 연구는 목요일(10월 3일) 환경 과학 및 기술 저널에 게재될 예정입니다.

"우리는 처음으로 폐수 박테리아가 시작 플라스틱 물질을 취하고, 그것을 분해하고, 조각내고, 분해하여 탄소원으로 사용할 수 있다는 것을 체계적으로 보여주었습니다." 연구를 이끈 노스웨스턴의 루드밀라 아리스틸데가 말했습니다. "이 박테리아가 그 전체 과정을 수행할 수 있다는 것은 놀라운 일이며, 우리는 플라스틱 물질을 분해하는 데 책임이 있는 핵심 효소를 발견했습니다. 이것은 최적화되고 활용되어 환경에서 플라스틱을 없애는 데 도움이 될 수 있습니다."

환경 과정에서 유기체의 역학에 대한 전문가인 Aristilde는 Northwestern의 McCormick School of Engineering에서 환경 공학과 조교수로 재직하고 있습니다. 그녀는 또한 Center for Synthetic Biology, International Institute for Nanotechnology, Paula M. Trienens Institute for Sustainability and Energy의 회원이기도 합니다. 이 연구의 공동 1저자는 Aristilde 연구실의 전 박사 과정 학생인 Rebecca Wilkes와 Aristilde 연구실의 현재 박사후 연구원인 Nanqing Zhou입니다. Aristilde 연구실의 몇몇 전 대학원 및 학부 연구원도 이 연구에 기여했습니다.

오염 문제

새로운 연구는 Aristilde 팀의 이전 연구를 기반으로 하며, 이 연구에서는 Comamonas testosteri가 분해된 식물과 플라스틱에서 생성된 단순 탄소를 대사할 수 있는 메커니즘을 밝혀냈습니다. 새로운 연구에서 Aristilde와 그녀의 팀은 다시 식품 포장 및 음료수 병에 일반적으로 사용되는 플라스틱인 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)에서 자라는 C. testosteroni를 살펴보았습니다 . PET는 쉽게 분해되지 않기 때문에 플라스틱 오염의 주요 원인입니다.

"PET 플라스틱이 전 세계 플라스틱 사용량의 12%를 차지한다는 점을 알아두는 것이 중요합니다."라고 Aristilde는 말했습니다. "그리고 폐수 내 미세 플라스틱의 최대 50%를 차지합니다."

플라스틱을 분해하는 타고난 능력

C. testosteroni가 플라스틱과 어떻게 상호작용하고 플라스틱을 먹는지 더 잘 이해하기 위해 Aristilde와 그녀의 팀은 여러 가지 이론적 및 실험적 접근 방식을 사용했습니다. 먼저, 그들은 폐수에서 분리한 박테리아를 가져와 PET 필름과 펠릿에서 키웠습니다. 그런 다음, 그들은 고급 현미경을 사용하여 플라스틱 재료의 표면이 시간이 지남에 따라 어떻게 변하는지 관찰했습니다. 다음으로, 그들은 박테리아 주변의 물을 조사하여 플라스틱이 더 작은 나노 크기의 조각으로 분해된 증거를 찾았습니다. 마지막으로, 연구자들은 박테리아 내부를 조사하여 박테리아가 PET를 분해하는 데 사용한 도구를 정확히 파악했습니다.

"박테리아가 있는 상태에서 미세 플라스틱은 작은 플라스틱 나노입자로 분해되었습니다."라고 Aristilde는 말했습니다. "우리는 폐수 박테리아가 플라스틱을 단량체, 즉 폴리머를 형성하기 위해 함께 결합되는 작은 구성 블록까지 분해하는 타고난 능력을 가지고 있다는 것을 발견했습니다. 이러한 작은 단위는 박테리아가 성장에 사용할 수 있는 생물학적으로 이용 가능한 탄소 공급원입니다."

C. testosteroni가 실제로 플라스틱을 분해할 수 있다는 것을 확인한 후 , Aristilde는 그 방법을 알고 싶어했습니다. 세포 내부의 모든 효소를 측정할 수 있는 오믹스 기술을 통해 그녀의 팀은 박테리아가 PET 플라스틱에 노출되었을 때 발현하는 특정 효소 하나를 발견했습니다. 이 효소의 역할을 더 탐구하기 위해 Aristilde는 테네시주 오크리지 국립연구소의 협력자들에게 효소를 발현할 수 있는 능력이 없는 박테리아 세포를 준비하도록 요청했습니다. 놀랍게도, 그 효소가 없으면 박테리아의 플라스틱 분해 능력이 상실되거나 상당히 감소했습니다.

플라스틱이 물 속에서 어떻게 변화하는가

아리스틸데는 이 발견이 잠재적으로 환경 솔루션에 활용될 수 있다고 생각하지만, 이 새로운 지식은 사람들이 폐수에서 플라스틱이 어떻게 진화하는지 더 잘 이해하는 데 도움이 될 수 있다고 말합니다.

"폐수는 미세 플라스틱과 나노 플라스틱의 거대한 저장소입니다."라고 Aristilde는 말했습니다. "대부분의 사람들은 나노 플라스틱이 나노 플라스틱으로 폐수 처리 시설에 들어온다고 생각합니다. 하지만 우리는 미생물 활동을 통해 폐수 처리 중에 나노 플라스틱이 형성될 수 있음을 보여주고 있습니다. 이는 우리 사회가 폐수에서 유입되는 강과 호수까지의 여정 전반에 걸쳐 플라스틱의 행동을 이해하려고 노력함에 따라 주의해야 할 사항입니다."

"폐수 코마모나스에 의해 폴리에틸렌 테레프탈레이트 펠릿이 나노플라스틱과 동화 가능 탄소로 분해되는 메커니즘"이라는 제목의 연구는 미국 국립과학재단(수여 번호 CHE-2109097)의 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/10/241003123307.htm