[이미디어= 황원희 기자] 수질오염은 전 세계적으로 확산되면서 많은 이들의 우려를 불러일으키고 있으며 화학산업업체들은 매년 300-400 메가톤에 달하는 산업 폐기물이 물 속으로 배출한다고 추정하고 있다.
최근 더컨버세이션의 보도에 따르면 이러한 우려사항을 불식시킬만한 소식을 전하고 있는데 UC 샌디에이고 제이콥스 공과대학에서 섬유산업에서 발생하는 화학염료 오염물질을 무해한 물질로 변화시킬 수 있는 ‘살아있는 물질’을 연구하고 있다고 알렸다.
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| ▲격자모양은 더 많은 빛과 영양분을 투입할 수 있다(제공=UC 샌디에이고 제이콥스 공과대학) |
연구진이 연구해온 ‘공학적인 살아있는 물질’은 부드러운 하이드로겔 물질 안에 프로그램된 박테리아를 포함하고 있다. 이에 2023년 8월 이 물질의 잠재적인 효과를 알리는 논문을 네이처커뮤니케이션즈에 발표했다.
이 물질의 기저를 형성하는 하이드로젤은 젤로와 비슷한 특성을 지니는데 이는 연성의 물로 이루어져 있다. 이러한 하이드로젤은 일부 식품에 흔한 성분인 알지네이트라고 불리는 자연적이고 생분해성인 해초를 기반으로 한 폴리머로 만들어진다.
알지네이트 하이드로겔은 조직이 인체의 세포를 지지하는 것과 유사하게 박테리아 세포에 대한 견고한 물리적 지지를 제공한다. 따라서 내부 박테리아가 자라고 번식할 수 있도록 할 수 있다.
연구진은 해조류 기반 알지네이트는 다공성에 수분을 유지할 수 있기 때문에 소재 베이스로 선택했다. 또한 박테리아 세포는 주변 환경으로부터 영양분을 흡수할 수 있도록 한다. 이렇듯 하이드로젤에 시아노박테리아라고 불리는 광합성 박테리아를 투입시켰는데 시아노박테리아는 광합성을 수행하기 위해 빛과 이산화탄소를 흡수할 필요가 있으며 이를 통해 생존이 가능하다.
하이드로젤은 이를 허용할 만큼 충분히 다공성을 갖고 있지만 가능한 한 효율적으로 만들기 위해, 젤을 맞춤형 모양인 격자와 벌집 모양의 3D로 인쇄했다. 이러한 구조는 부피가 커지기에 더 많은 빛과 이산화탄소 및 영양분이 투입될 수 있도록 한다.
세포들은 격자모양 기하학적 구조에서 충분한 생존이 가능했으며 시간이 지남에 따라 더 높은 세포 성장과 밀도를 관찰할 수 있었다.
다른 모든 박테리아와 마찬가지로, 시아노박테리아도 세포에 어떤 결과물을 만들어 내는지 알려주는 독특한 유전 회로를 가지고 있다. 연구진은 세포들이 라카아제라고 불리는 특정한 효소를 만들도록 박테리아 DNA를 유전적으로 조작했다.
시아노박테리아에 의해 생성된 라카아제 효소는 오염물질과 화학반응을 함으로써 작동하는데, 더 이상 작동하지 않는 형태로 변형시켰다. 화학적 결합을 깨뜨림으로써, 이는 독성이 있는 오염물질을 무독성으로 만들 수 있다. 반응이 끝날 때 효소가 재생되고, 이는 더 많은 반응을 완료하기 위해 작동이 된다.
연구진은 알지네이트 하이드로겔에 시아노박테리아를 넣은 후, 이를 산업용 염료 오염물질로 이루어진 용액에 넣어 수질을 깨끗하게 할 수 있는지 확인했다. 이 실험은 물질이 염료의 구조를 착색에서 무색으로 변화시킬 수 있는지 확인하기 위한 것이었고 한편으로 그 물질이 화학 구조를 독성에서 무독성으로 변하게 할 수 있는지도 알 수 있도록 했다.
연구진은 사용한 공업염료 인디고 카민은 보통 직물 공장 근처의 수질에서 발견되는 산업 폐수 오염 물질로, 청바지의 주요 색소이다. 이 박테리아를 투입함으로써 약 10일에 걸쳐 대부분 모든 색을 제거하는 것을 발견했다.
이러한 성능은 고무적이지만 이 물질이 박테리아 세포를 침출시킴으로써 오염된 수질에 오염물질을 더하는지 알고자 했다. 따라서, 프로그램 가능한 킬 스위치를 통해 박테리아의 세포막을 손상시킬 수 있는 단백질을 생성하기 위해 박테리아를 공학적으로 조작했다.
이러한 유전 회로는 카페인, 차, 초콜릿에서 흔히 발견되는 테오필린이라고 불리는 무해한 화학물질에 반응하도록 프로그램 되어 있었다. 테오필린을 첨가함으로써, 연구진은 박테리아 세포를 마음대로 파괴할 수 있었다.
공학적인 생물 물질 분야는 아직 발전하고 있지만, 이는 단지 생물 요소와 비생물 요소를 모두 갖춘 새로운 소재를 개발할 수 있는 많은 기회가 있다는 것을 시사한다.
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