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최근 과학자들은 중금속과 같은 환경오염 물질을 감지하기 위한 센서로 사용할 수 있는 많은 종류의 공학적 박테리아를 개발해 옴. 이러한 센서를 자연 환경에 두면 과학자가 넓은 지리적 영역에서 시간이 지남에 따라 오염 물질 수준이 어떻게 변하는지 추적하는 데 도움이 될 수 있음.

미국 MIT 연구진은 박테리아 센서를 하이드로젤 쉘에 넣어, 환경에 노출되고 잠재적으로 변형된 유전자를 다른 유기체에 전파하는 것을 방지함으로써, 보다 안전하게 센서를 만드는 방법을 고안함.

연구진은 E. coli를 하이드로젤 쉘에 삽입하여 다른 유기체로부터 분리된 상태로 유지하면서 찾고 있는 오염 물질을 감지할 수 있음을 보여줌. 쉘은 또한 센서를 환경 손상으로부터 보호하는 데 도움이 됨.

박테리아가 일반적으로 가지고 있지 않은 유전 회로를 표현하도록 설계함으로써 연구자들은 다양한 분자를 감지할 수 있음. 종종 회로는 표적의 검출이 녹색 형광 단백질 또는 생물 발광의 생성을 유발하도록 설계됨. 다른 회로에서는 사건의 기억이 세포의 DNA에 기록됨.

이 박테리아로 들어가는 유전 회로에는 종종 항생제 내성 유전자가 포함되어있어 연구자들은 유전 회로가 박테리아 세포에 올바르게 삽입되었는지 확인할 수 있음. 그러나 이러한 유전자는 환경에 방출되면 해로울 수 있음. 많은 박테리아와 다른 미생물은 수평 유전자 전달이라는 과정을 사용하여 서로 다른 종 간에도 유전자를 교환할 수 있음.

이러한 종류의 유전자 교환을 방지하기 위해 연구자들은 박테리아 센서를 설계하여 야생에서 얻을 수 없는 인공 분자를 필요로 하는 "화학 봉쇄"라는 전략을 사용함. 그러나 매우 많은 수의 박테리아에서는 소수가 그 분자 없이 생존할 수 있는 돌연변이를 얻을 가능성이 있음.

또 다른 옵션은 박테리아가 빠져나가는 것을 방지하는 장치 내에서 박테리아를 캡슐화함으로써 달성되는 물리적 격리임. 그러나 지금까지 시도된 플라스틱 및 유리와 같은 재료는 박테리아가 감지하도록 설계된 분자와 상호 작용하는 것을 방지하는 확산 장벽을 형성하기 때문에 제대로 작동하지 않음.

연구진은 박테리아 센서를 하이드로젤에 캡슐화하기로 결정함. 이들은 다양한 빌딩 블록으로 만들 수 있는 신축성 있는 재료임. 조류에서 추출한 알지네이트와 같이 자연적으로 발생하는 많은 하이드로젤은 너무 약해서 야외 환경에서 세포를 보호할 수 없음. 그러나 연구진은 이전에 매우 견고하고 신축성이 있는 하이드로젤을 개발했으며, 이것이 박테리아 캡슐화에 적합할 수 있다고 믿었음.

보호구를 만들기 위해 연구진은 먼저 필수 영양소와 함께 알지네이트에 박테리아를 내장함. 이 구체(쉘)는 알지네이트와 폴리 아크릴 아미드의 조합으로 만들어진 강인한 하이드로젤 중 하나로 코팅되었음. 이 외층에는 직경 5~50 nm의 기공이 있어 당이나 중금속과 같은 분자가 통과할 수 있음. 그러나 DNA와 더 큰 단백질은 통과할 수 없음.

개발된 쉘은 직경이 약 5mm이고 최대 10억 개의 박테리아 세포를 운반할 수 있음. 연구진은 이 쉘을 사용하여 중금속인 카드뮴을 탐지하도록 설계된 대장균 박테리아를 캡슐화함.

센서를 테스트하기 위해 연구진은 센서를 Charles River에서 수집한 물 샘플에 넣음. 센서가 쉘 내부에서 오염 물질을 감지할 수 있는지 확인하기 위해 연구진은 카드뮴을 샘플에 추가했고 박테리아가 이를 정확하게 감지할 수 있음을 발견함. 또한 박테리아가 쉘에서 빠져나가거나 유전 물질을 누출하지 않는다는 것을 보여줌.

본 연구 성과는 Nature Chemical Biology ("Hydrogel-based biocontainment of bacteria for continuous sensing and computation")에 게재됨.