나노기술 및 정책 정보

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  미국 남가주대학(USC)의 생물물리학자와 그의 연구팀은, 특정 박테리아가 큰 생물학적 회로(biological circuit)로 서로를 연결할 수 있는 나노와이어(전도성 털, electrical hair)를 성장시킨다는 사실을 발견했다. 이 발견은, 미생물의 군집체들이 박테리아 나노와이어로 알려진 전기전도성 털을 통해 생존하고 의사소통을 하며 부분적으로 에너지를 공유할 수 있다는 점을 의미한다.
  “이는 박테리아에 의해 생성된 생물학적 나노와이어를 통해 전자가 전달된다는 점을 최초로 측정한 것이다.”라고 USC의 물리·천문학과 조교수인 Mohamed El-Naggar가 말했다.
  El-Naggar 교수는 Proceedings of the National Academy of Sciences지 온라인 판에 게재된 연구논문의 주 저자이다. 미생물 군집의 성장 방법을 이해하는 것은, 치아 표면의 바이오필름과 같은 유해 물질을 제거하는 방법을 찾는 있어 첫 번째 단계이다. 바이오필름은 항생제에 높은 내성을 가진 것으로 알려져 있다. 본 기술은 또한, USC와 타 기관에서 개발 중인 박테리아 연료전지와 같은 유용한 박테리아 군집체의 이용을 촉진시킨다.
  “여러 방향으로의 전자흐름은, 바이오필름의 서로 다른 부분의 대사작용 상태와 밀접한 연관성이 있다. 박테리아 나노와이어는 미생물 회로의 생존에 필요한 상호연결을 제공 할 수 있다.”라고 El-Naggar 교수가 말했다. 박테리아 나노와이어는 미생물의 몸에서 밖으로 삐져나온 긴 털과 같은 형태이며, 체모와 같이 주로 단백질로 구성되어 있다.
  나노와이어의 전도성 시험을 위해, 연구진들은 본 논문의 공동저자이며 USC 지구생물학과 Kenneth Nealson 교수가 이전에 발견한 미생물인 Shewanella oneidensis MR-1을 배양했다. Shewanella는 배양조건이 척박한 상황에서 나노와이어를 생성하는 경향이 있다. 연구팀은 성장조건을 조절함으로써 다량의 나노와이어를 가진 박테리아를 제조했다. 그 다음, 박테리아를 미세전극을 가진 표면에 올려놓았다. 나노와이어가 두 전극 사이에 위치하면 회로가 닫히고 측정 가능한 전류가 흐르게 된다. 전도도는 반도체의 수준과 유사하며 작지만 의미 있는 것이다. 나노와이어를 절단하면 전류의 흐름이 중단되었다.
  기존 연구들은 전자가 나노와이어를 통해 이동할 수 있다는 것은 밝혔으나 나노와이어가 길이 방향으로 전자를 전도한다는 것은 증명하지 못했다. El-Naggar 교수 연구팀에 의해 드디어 이 어려운 기술 과제가 최초로 증명되었다. 나노와이어에서 이동하는 전기는 미생물의 생존에 필수적이다. 박테리아는 전자 수용체에게 전자를 제공함으로서 호흡한다. Shewanella의 경우에는 철과 같은 금속이 수용체 역할을 한다(인간은 가장 강력한 전자 수용체 중의 하나인 산소에 전자를 주어 호흡한다). Nealson 교수에 따르면 Shewanella의 경우, 전자를 수용체에 주지 않으면 아주 빨리 사멸한다고 밝혔다. 특정 경우에 있어, 나노와이어는 미생물이 전자를 버릴 수 있는 유일한 수단일 수 있다. 인접한 곳에 전자수용체가 부족할 때, 나노와이어는 박테리아가 상호협력해 먼 거리에 있는 수용체에 도달할 수 있게 하는 수단이 된다.
  연구진들은 Shewanella가 상호간 그리고 전자수용체에 붙어서, 모든 박테리아가 나노와이어 사슬을 통해 호흡할 수 있는 군집체를 형성한다는 것을 확인했다. “이것은 기본적으로 전자를 전달하기 위한 군집반응으로서, 협동 호흡의 한 형태이다”라고 El-Naggar 교수는 설명했다. El-Naggar 교수 연구팀은 신생 학문 분야의 개척자로서, “박테리아 나노와이어”라는 용어를 2006년에 만들었다. Shewanella로부터 나노와이어를 발견한 본 논문의 공동저자인 Yuri Gorby (샌디에고 The J. Craig Venter Institute)에 따르면, 지금까지 본 주제와 관련해 발표된 논문은 10여 편이 채 안된다고 한다.
  Gorby 연구팀은 필라멘트 주위에서 금속의 환원이 일어난다는 사실을 발견한 후, 나노와이어에 흥미를 가지게 되었다. 환원 반응에는 금속으로의 전자 전달이 필요하기 때문에, 필라멘트가 전류를 전달할 수 있을 것이라고 추측했다. 나노와이어는 또한 다양한 미생물의 전도성 통로 역할을 하는 것으로 알려져 왔다. "박테리아 나노와이어는 실제 미생물 세계에서 광범위하게 알려져 있다는 것이 현재의 가설이다."라고 El-Naggar 교수가 말했다. 일부 연구자들은, 나노와이어가 박테리아의 호흡뿐만 아니라 의사소통을 지원한다고 제안하고 있다. 박테리아 군집체는 신호전달 분자들의 느린 확산을 통해 정보를 공유하는 것으로 알려져 있다. 그러나 Nealson 교수는 나노와이어를 통한 전자 전달이 보다 빠르고 박테리아에게 훨씬 바람직하다고 주장한다. 생존을 위한 박테리아의 공동 전략은 더 고등한 생명체에게 교훈이 될 수 있다.
  2009년 Wired 잡지에 발표한 사설에서 Gorby는, “지구상에서 가장 오래된 유기체의 효율적인 에너지 분포와 의사소통 전략을 이해하는 것은, 우리 인체의 지속가능성을 이해하는 데에도 유사하게 활용될 수 있다.”고 말했다.

발표논문:

  Mohamed Y. El-Naggara, Greg Wanger, Kar Man Leung, Thomas D.Yuzvinsky, Gordon Southam, Jun Yang, Woon Ming Lau, Kenneth H. Nealson, and Yuri A. Gorby, “Electrical transport along bacterial nanowires from Shewanella oneidensis MR-1”, PNAS (Published online October 11, 2010), doi: 10.1073/pnas. 1004880107