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바이오폴리머
바이오폴리머(生體高分子, biopolymer) 또는 생체고분자, 생물고분자는 살아있는 생물체에 의해 생성되는 중합체이다. 다시 말해서, 생체고분자는 중합체 생체분자이다. 생체고분자는 단량체 분자들이 서로 공유 결합으로 연결되어 큰 구조를 형성한다. 사용되는 단량체의 단위와 형성된 생체고분자의 구조에 따라 분류되는 세 가지 주요 부류의 생체고분자들이 있다. 폴리뉴클레오타이드(DNA와 RNA)는 13개 이상의 뉴클레오타이드 단량체로 구성되어 있는 긴 중합체이다. 폴리펩타이드는 아미노산을 단위체로 하는 중합체이다. 폴리사카라이드(다당류)는 단당류를 단위체로 하는 중합체이다. 바이오폴리머의 다른 예로는 고무, 수베린, 멜라닌, 리그닌 등이 있다.
셀룰로스는 지구 상에서 가장 흔한 유기 화합물이자 생체고분자이다. 전체 식물 물질의 약 33%가 셀룰로스이다. 면화의 셀룰로스 함량은 90%이며, 목재의 셀룰로스 함량은 50%이다.
목차
개요 =
생물고분자 또는 바이오폴리머는 미생물, 식물, 동물 등의 생명체의 생합성으로 만들어지는 특정 단일물질이 중합되어 있는 다중체(multiunit)의 거대분자(macromolecule)를 말한다. 광범위한 개념에서 뉴클레오타이드의 중합체로 핵산을 구성하는 폴리뉴클레오타이드(polynucleotide: DNA와 RNA)와 아미노산의 중합체인 폴리펩타이드(polypeptide)인 단백질을 포함하기도 하나, 일반적으로 화학합성 되는 폴리머와 유사하게 하나의 단위체(unit)인 단량체(또는 모노머, monomer)로부터 중합반응으로 합성되는 다량체(또는 폴리머, polymer)를 말한다. 대표적인 예는 식물체의 셀룰로스(cellulose)와 전분의 아밀로스(amylose)이며 단량체인 육탄당(hexose) 포도당이 베타-1,4-글리코시딕 결합(β-1,4-glycosidic bond)으로 구성된 것을 셀룰로스 알파-1,4-글리코시드 결합(α-1,4-glycosidic bond)으로 결합된 것을 아밀로스라고 한다.
생체고분자와 합성고분자
생체고분자와 합성고분자 사이의 주요 차이점은 그들의 구조에서 찾을 수 있다. 모든 중합체는 단위체라고 불리는 반복적인 단위들로 만들어져 있다. 생체고분자는 종종 잘 정의되는 구조를 가지고 있지만, 모두가 그런 것은 아니다(예: 리그노셀룰로스). 정확한 화학적 구성과 이들 단위체들이 배열되는 순서는 단백질의 경우에 1차 구조라고 불린다. 많은 생체고분자들은 자발적으로 특징적인 형태로 접혀서, 그들의 생물학적 기능을 결정하고, 그들의 1차 구조에 복잡한 방식으로 의존하고 있다. 구조생물학은 생체고분자들의 구조적 특성에 대해 연구하는 학문이다. 대조적으로, 대부분의 합성고분자들은 훨씬 더 단순하고, 무작위적인(또는 확률론적인) 구조를 가지고 있다. 이러한 사실은 생체고분자에서 누락된 분자량 분포로 이어진다. 실제로 대부분의 생체 내 시스템에서 주형 유도 과정에 의해 생체고분자의 합성이 조절되기 때문에 한 종류의 모든 생체고분자들은 모두 비슷하다. 생체고분자들은 모두 비슷한 서열과 단위체 수를 포함하고 있고, 따라서 모두 동일한 질량을 가지고 있다. 이러한 현상은 합성고분자에서 발생하는 다분산성(polydispersity)과는 달리 단분산성(monodispersity)이라고 한다. 결과적으로 생체고분자의 다분산지수(polydispersity index)는 1이다.
자연계에 존재하는 천연 생물고분자
자연계에 존재하는 생명체의 대사에 의해 만들어지는 천연 생물고분자는 고분자 물질의 중합의 단위물질에 따라 달라진다. 대표적인 단위물질로 사용될 있는 것은 뉴클레오타이드, 아미노산, 지방산, 탄수화물, 기타 물질 등이 있으며, 생명체의 생화학 작용에 의해 핵산으로 폴리뉴클레오타이드인 DNA와 RNA가 만들어지며, 아미노산으로 펩타이드 및 단백질이, 지방산으로부터 지질이, 탄수화물로는 다양한 다당체, 그리고 기타 물질로는 리그닌과 같이 방향족 탄화수소가 포함된 생물고분자가 생합성된다. 광범위의 생물고분자는 생명체가 생합성하는 모든 거대분자 형태의 물질을 말하지만, 제한적으로는 화학합성으로 만들어지는 고분자와 동일하게 화학적으로 정의된 단위물질이 특정 화학결합으로 규칙적으로 배열된 물질을 말한다.
대표적인 자연계에 존재하는 천연 생물고분자는 많은 수가 탄수화물을 기본 단위로 하는 다당체(polysaccharide)로, 다당체는 다시 기본 단위의 구성성분에 따라 단일 당성분으로 구성된 단순다당체(homopolysaccharide)와 복합 당성분으로 구성된 복합다당체(heteropolysaccharide)로 구분될 수 있다. 자연계에서 이들 다당체의 성분은 전분 및 글리코겐과 같이 생명체의 활동을 위해 잉여 에너지원으로 저장하기도 하지만, 많은 수의 다당체가 셀룰로스, 헤미셀룰로스, 펙틴, 키틴과 같이 생명체의 골격이나 지지체를 만들거나 외부환경으로 생명체를 보존하기 위한 방어체를 형성하는데 사용된다
미생물이 생산하는 생물고분자
미생물이 생산하는 생물고분자는 생물학적으로 외부의 극한 환경에 대해 미생물 자신을 보호하기 위한 방어막 형성이나 잉여 영양분을 축적하기 위한 것으로, 대표적인 사례가 잔탄검(xanthan gum)과 세균 셀룰로스(bacteria cellulose)가 잘 알려져 있다1). 이외에 화학 합성된 고분자와 같은 특성을 지니면서 생물학적으로 완전히 분해될 수 있는 생물고분자 소재로 폴리하이드록시알카노에이트(Polyhydroxyalkanoate) 등이 있다.
잔탄검(xythan gum)
- 그람음성의 호기성 토양 미생물 중의 하나인 균인 잔토모나스 캄페스트리(Xanthomonas campestris)의 대사작용으로 생합성되는 탄수화물로 구성된 체외다당체(exopolysaccharide)로 높은 점성(viscosity), 유사가소성(pseudoplasticity), 안정성 등의 독특한 특성으로 안정제, 분산제, 유화제 등의 용도로 산업적으로 광범위하게 사용되고 있다.
- 주된 고분자의 근간뼈대(backbone)는 셀룰로스 베타1→4(cellulosic β1→4) 포도당으로 구성되어 있으며, 여기에 곁가지로 두개의 만노스(mannose)와 글루쿠론산(glucuronic acid)으로 구성된 삼탄당(trisccharide)이 부가되어 있다.
세균 셀룰로스(bacterial cellulose)
- 세균 셀룰로스는 식물체 유래의 셀룰로스와 동일한 베타1→4(β1→4)포도당으로 구성된 고분자로 아세토박터(Acetobacter)속, 리조비움(Rhizibium)속, 아그로박테리움(Agrobacterium) 속 등의 미생물에서 체외다당체 형태로 생합성되며, 이들 미생물 중에서 호기성 균주인 아세토박터 자일리넘(Acetobacter xylinum)이 대표적 균주로 알려져 있다.
- 식물 유래의 셀룰로스에 비해 헤미셀룰로스 및 리그닌 등의 다른 고분자를 포함하지 않고 순수 셀룰로스 만을 생산한다는 장점이 있다.
- 세균 셀룰로스는 생체적합성과 기계적 성질이 뛰어나 인공피부, 인공연골, 창상보호제, 인공혈관, 화상치료제 등의 의료용 소재뿐 아니라, 미용소재, 식품소재, 전기재료 소재 등으로 광범위하게 사용되고 있다.
폴리하이드록시알카노에이트(Polyhydroxyalkanoate)
- 폴리하이드록시알카노에이트[Poly(hydroxyalkanoate), PHA] 고분자는 최근에 생분해성 플라스틱의 소재의 후보로 각광받는 생물고분자로 많은 미생물에서 탄소 및 에너지 저장원으로 세포 내 축적되는 물질로 알려져 있다.
- 년에 바실러스 메가테리움(Bacillus megaterium)에서 폴리하이드록시뷰티레이트[poly(hydroxybutyryate), PHB]가 최초로 발견된 이후, 현재까지 PHB와 폴리하이드록시알카노에이트 물질을 생산하는 균주가 90여 종 이상 알려져 있다.
- 폴리하이드록시알카노에이트는 R-(-)-3-하이드록시알칸산[R-(-)-3-hydroxyalkanoic acid] 단량체로 만들어지며, 약 3~14개 탄소를 갖는 단량체의 중합체로 구성되어 있다.
- 미생물에서 합성되는 폴리하이드록시알카노에이트는 다양한 크기의 단량체로 구성되어 있는데, 알칼리지너스 유트로푸스(Alcaligenes eutrophus)와 같은 미생물에서 생산되는 탄소3-5(C3-5)개의 단사슬(short chain) 모노머로 구성된 고분자와, 슈도모나스 오레오보란스(Pseudomonas oleovorans)와 같은 미생물에서 생산되는 탄소6-14(C6-14)개의 중사슬(medium chain)의 모노머로 생합성되는 고분자로 구분할 수 있다.
- 알칼리지너스 유트로푸스에서 생합성되는 PHB는 아세틸코에이(acetyl-coA)로부터 3단계의 효소반응에 의해 전환된 R-(-)-3-하이드록시뷰틸산의 중합반응에 의해 생합성되며, 생성된 고분자는 세포내 축적되는데 크기가 약 1,000~10,000 단량체로 구성되어 있다고 알려져 있다.
관례 및 명명법
폴리펩타이드
폴리펩타이드에 대한 관례는 아미노 말단으로부터 카복시 말단까지 폴리펩타이드를 구성하는 아미노산 잔기들을 순서대로 나열하는 것이다. 아미노산 잔기들은 항상 펩타이드 결합으로 연결되어 있다. 단백질은 어떤 폴리펩타이드를 지칭하기 위해 구어적으로 사용되지만, 더 크거나 완전한 기능을 하는 형태를 지칭하며, 단일 폴리펩타이드 사슬 뿐만 아니라 여러 폴리펩타이드 사슬들로 구성될 수 있다. 또한 단백질은 당 사슬 및 지질과 같은 비펩타이드 성분을 포함하도록 변형될 수 있다.
핵산
핵산의 서열에 대한 관례는 뉴클레오타이드 잔기들을 폴리뉴클레오타이드 중합체 사슬의 5' 말단에서 3' 말단까지 순서대로 나열하는 것인데, 여기서 5' 및 3'는 폴리뉴클레오타이드 사슬의 포스포다이에스터 결합에 참여하는 리보스 고리의 탄소의 번호를 가리킨다. 이러한 서열을 생체고분자의 1차 구조라고 한다.
탄수화물
탄수화물을 기반으로 하는 생체고분자들은 종종 관례와 관련하여 어려움을 겪는다. 탄수화물 중합체는 선형 또는 분지형 일 수 있으며, 일반적으로 글리코사이드 결합으로 연결된다. 결합의 정확한 위치는 다양할 수 있으며 결합에 참여하는 작용기의 방향도 중요하며, 고리 내의 결합에 참여하는 탄소의 위치를 결정짓는 번호 매김을 갖는 α- 및 β-글리코사이드 결합을 생성한다. 또한 많은 탄수화물 단위들은 아미노화와 같은 다양한 화학적 변형들을 겪을 수 있으며, 당단백질과 같은 다른 분자의 일부를 형성할 수도 있다.
구조적 특성
서열의 정보를 결정하기 위한 많은 생화학적 기술들이 있다. 단백질의 아미노산 서열은 N말단의 잔기가 사슬에서 한 번에 하나씩 가수분해되고, 유도체로 합성된 다음 확인되는 에드만 분해법에 의해 결정될 수 있다. 질량분석법도 사용할 수 있다. 핵산의 염기서열은 겔 전기영동 및 모세관 전기영동을 사용하여 결정할 수 있다. 마지막으로 이러한 생체고분자들의 물리적 특성들은 종종 광 핀셋 또는 원자간력현미경을 사용하여 측정할 수 있다. 이중 편광 간섭계는 pH, 온도, 이온 강도 또는 다른 결합 파트너에 의해 자극될 때 이들 물질들의 입체 구조 변화 또는 자기 조립을 측정하는데 사용될 수 있다.
소재로 이용
폴리락트산, 자연적으로 생성된 제인, 폴리하이드록시뷰티르산과 같은 일부 생체고분자들은 플라스틱으로 사용될 수 있으며 폴리스티렌 또는 폴리에틸렌 기반의 플라스틱을 대체할 수 있다.
일부 플라스틱은 현재 '분해성', '산소 분해성', 'UV 분해성'으로 불린다. 이것은 빛이나 공기 중에 노출되면 분해된다는 것을 의미하지만 이러한 플라스틱들은 여전히 석유를 주성분으로 하며(최대 98%), 현재 유럽 연합의 포장 및 포장 폐기물에 관한 지침(94/62/EC)에 따라 '생분해성'으로 인증되지 않았다. 생체고분자들은 분해가 되며, 일부는 가정용 퇴비로 적합하다.
생체고분자는 포장 산업에서 사용하기 위해 바이오매스로부터 생산된다. 바이오매스는 사탕무, 감자, 밀과 같은 작물로부터 나오며, 생물고분자를 생산할 때는 비식용작물로 분류된다. 이들은 다음 경로와 같이 변환될 수 있다.
사탕무 → 글리콘산 → 폴리글리콘산
바이오매스 → (발효) → 바이오에탄올 → 에틸렌 → 폴리에틸렌
음식 쟁반, 깨지기 쉬운 물품을 운송하기 위한 변형된 녹말 알갱이, 포장용 얇은 필름과 같은 많은 종류의 포장재들은 생체고분자로 만들어질 수 있다.
환경적 영향
생체고분자는 계속해서 재배할 수 있는 식물에서 비롯된 물질로 만들어지기 때문에 지속가능하고, 탄소 중립적이며, 재생가능하다. 이러한 식물성 재료들은 비식용 농작물로부터 나온다. 따라서 생체고분자의 사용은 지속가능한 산업을 창출할 것이다. 이와는 대조적으로 석유화학에서 유래한, 중합체 합성을 위한 공급 원료는 결국 고갈될 것이다. 또한 생체고분자는 이산화 탄소 방출량과 대기 중의 이산화 탄소의 양을 줄일 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 이것은 생체고분자가 분해될 때 방출되는 CO2가 이들을 대체하기 위해 재배되는 작물들에 의해 재흡수될 수 있기 때문이다. 이것은 생체고분자의 사용을 탄소 중립에 가깝게 만든다.
생체고분자는 생분해성이며 어떤 것은 퇴비로도 가능하다. 일부 생체고분자는 미생물에 의해 이산화 탄소와 물로 분해된다. 이러한 생분해성 생체고분자들 중 일부는 퇴비화가 가능하고, 산업 퇴비화 공정에 투입할 수 있으며, 6개월 이내에 90%까지 분해될 수 있다. 이것이 가능한 생체고분자는 유럽 표준 EN 13432 (2000)에 따라 '퇴비화 가능' 기호로 표시할 수 있다. 이 기호가 표시된 포장재는 산업 퇴비화 공정에 투입될 수 있으며, 6개월 이내에 분해될 수 있다. 퇴비화가 가능한 고분자의 예로는 두께 20μm 미만인 폴리락트산 필름이 있다. 이 필름은 '생분해성'임에도 불구하고, 퇴비화할 수 없는 것보다 두꺼운 필름이다. 유럽에는 소비자들이 그들의 퇴비 더미에서 포장을 식별하고 처분할 수 있도록 해주는 가정용 퇴비 표준과 관련 로고가 있다.
응용 분야
- 의료
- 생체 적합성: 인공 장기, 조직 공학, 상처 치유용 드레싱 등에 사용.
- 약물 전달: 나노입자를 기반으로 한 약물 전달 시스템.
- 포장재
- 생분해성 플라스틱으로, 식품 및 산업 포장재에 사용.
- 환경 친화적 대안으로 활용도가 높아짐.
- 섬유 및 직물
- 바이오폴리머 기반 섬유는 의류 및 산업 직물에 적용.
- 예: PLA 섬유.
- 에너지
- 바이오 연료의 전구체로 활용.
- 예: 바이오매스를 사용하여 바이오에탄올 및 바이오디젤 생산.
- 농업
- 농업용 멀칭 필름, 생분해성 비료 코팅 등으로 사용.
- 전자공학
- 바이오센서 및 생체전극 개발.
- 바이오 기반 전자 소재로 연구 중.
참고자료
같이 보기
