바이오인

핵심내용

 -Angew.Chem.誌 표지논문 발표, “동일한 조건의 마이크로 액적 내의 재조합 대장균을 나노 factory로 이용하여 균일한 크기의 상자성 나노입자를 합성”-

 □ 균일한 마이크로 액적(micro-droplet)을 이용하여 생물공학적으로 금속 나노입자를 균일하게 합성할 수 있는 방법이 국내 연구진에 의해 개발되었다.

 ○ KAIST 생명화학공학과 서태석 교수(41세)와 이상엽 특훈교수(48세)가 주도한 이번 연구결과는 화학분야의 세계적인 학술지인 ‘앙게반테 케미 (Angewandte Chemie International Edition)' 6월 표지 논문으로 게재될 예정이며, 4.27일자 온라인 판에 발표되었다.

□ 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호) 글로벌프론티어사업 차세대바이오매스연구단(단장 양지원)과 지능형 바이오 설계 및 합성 연구단 (단장 김선창)의 지원을 받아 수행되었다.

□ 연구팀은 마이크로플루이딕 칩(microfluidics chip)을 이용하여 균일한 마이크로 액적을 생산하고, 그 안에 유전자가 재조합된 대장균 (recombinant E. coli)과 상자성(paramagnetic) 금속이온을 동일한 농도로 조절하여 균일한 크기의 나노입자를 합성하는 기술을 개발하였다. 

 ○ 금속 나노입자는 주로 유기용매와 고온 등의 조건에서 화학적 방법을 통해 합성되고 있으며, 이러한 방식은 환경오염 가능성과 높은 에너지 소모의 문제가 있었다.

   - 따라서, 친환경적이고 경제적인 대안으로 미생물을 활용한 생물공학적 나노입자 합성 방법에 대한 연구가 진행되고 있는데, 현재까지 보고된 기술은 합성된 나노입자의 크기가 불균일하다는 단점을 갖고 있었다.

 ○ 금속 이온 결합 단백질인 메탈로싸이오닌 (metallothionein)과 펩타이드인 파이토킬레틴(phytochelatin)을 대장균 내에 발현시킨 후 배양액에 상자성 금속이온(Fe2+, Mn2+)을 주입하면 대장균 안에서 나노입자가 합성되는데,

   - 이번, 연구에서 연구팀은 마이크로플루이딕 기술을 이용하여 균일한 부피의 액적을 제작하고, 액적 내에 동일한 세포 수, 금속 이온 농도 및 온도 조건을 갖도록 조절하여 균일한 나노입자 합성을 유도하였다.

 ○ 합성된 나노입자를 세포에서 분리하여 투과전자현미경(transmission electron microscope)으로 확인한 결과, 액적 내에서 합성된 상자성나노입자가 기존의 대량 반응에서 합성된 나노입자에 비해 3배 정도 균일성이 향상됨을 확인하였다.

 ○ 본 결과는 새로운 친환경적 나노입자 합성법으로 금속 이온의 종류에 상관없이 균일한 나노입자를 합성할 수 있어, 향후 화학적 방법으로 접근하기 어려운 다양한 나노소재 개발에 새로운 패러다임을 제시할 수 있을 것으로 기대된다.

□ 서태석 교수는 “이번 연구성과는 기존의 생물공학적 금속 나노입자 합성법이 가지고 있던 나노입자 불균일성의 문제를 개선함으로써 새로운 나노입자 합성 패러다임을 제공했다는 데 의의가 있다”라고 설명하며,

   - “나노리터 액적을 바이오반응기로 활용할 수 있음을 보임으로써 향 후 바이오디젤생산을 위한 고성능 미세조류 균주 고속 스크리닝과 같은 분야에 새로운 플랫폼을 제공할 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.

상세내용

연 구 결 과 개 요

Homogeneous Biogenic Paramagnetic Nanoparticle Synthesis Based on a Microfluidic Droplet Generator

국내 연구진이 생물공학적인 방법으로 균일한 금속 나노입자를 합성하는 새로운 방법을 개발하였다. 한국과학기술원 생명화학공학과 서태석 교수 및 이상엽 교수 연구팀은 균일한 마이크로 액적 (micro-droplet) 내에 재조합 대장균을 이용하여 기존에 생물공학적으로 합성된 나노입자의 불균일성을 개선하였으며 새로운 금속 나노입자 합성의 패러다임을 제시하였다. 이 연구결과는 화학분야 최고 권위의 학술지인 안게반테 케미 (Angewante Chemie International Edition) 4월 27일자 온라인판에 게재되었으며, 6월 Back Cover 표지논문으로 게재될 예정이다.

기존의 금속 나노입자는 화학적인 방법으로 합성되었으나 유기용매와 고온 등의 조건에서 합성되어 환경오염 가능성과 높은 에너지 소모의 문제를 가지고 있었다. 이에 친환경적이며 경제적인 대안으로 미생물을 활용한 생물공학적 나노입자 합성에 대한 연구가 진행되고 있지만 나노입자의 크기가 불균일하다는 단점을 가지고 있었다.

본 논문에서는 마이크로플루이딕 칩(microfluidic chip) 안에서 생산된 균일한 부피의 마이크로 액적을 제작하고, 그 안에 동일한 유전자 재조합 대장균(recombinant E. coli)과 상자성(paramagnetic) 금속이온 및 온도조건을 갖도록 조절하여, 균일한 나노입자 합성을 유도하였다. 개발된 방법을 이용하여 기존의 합성법보다 3배 정도 균일성이 향상된 상자성 금속 나노입자를 합성하는데 성공하였으며, 그 가치를 인정받아 화학분야 최고 권위의 학술지인 안게반테 케미 (Angewante Chemie International Edition)에 게재되었다.

 본 논문의 교신저자인 서태석 교수는 “새로운 나노 소재의 발견은 질병 진단 센서나 고효율 에너지 소자와 같은 제품 개발을 통해 인간의 삶의 질을 향상시켜왔다.”고 설명하고, ”본 연구결과는 새로운 친환경적 나노입자 합성법으로써, 금속 이온의 종류에 상관없이 균일한 나노입자를 합성할 수 있어 향후 화학적으로 접근하기 어려운 다양한 나노소재 개발에 새로운 패러다임을 제시할 수 있을 것이다.”라고 향후 연구방향을 강조하였다.

용   어   설   명

1. 마이크로플루이딕 (microfluidics)
  ○ 마이크로/나노 크기의 미세채널 안에 나노리터 수준 이하의 유체를 이동, 혼합, 분리 등의 과정을 통해 다양한 생물 화학적 반응을 유도하여 중요한 정보 등을 얻을 수 있는 기술을 말한다. 이를 위해 유리, 실리콘, 플라스틱 재질로 된 마이크로크로플루이딕 칩을 제작하며 이를 랩온어칩 (Lab-on-a-Chip) 이라고도 한다. 칩의 크기는 손바닥정도 하며 이용하여 DNA, 단백질 기타 화학, 생물학적 시료를 반응시켜 중요한 정보 등을 얻을 수 있다.

2. 유전자 재조합 대장균 (recombinant E. coli)
  ○ 형질전환, 형질도입, 세포융합 등을 위해 기존의 대장균의 유전자에 임의의 다른 유전자를 결합하여 만들어진 대장균이다. 각종 제한효소나, DNA 연결효소의 발견 등 분자 생물학적 연구의 발달로 인해 유전자 재조합 관련 연구가 많이 이루어지고 있으며, 본 연구에서는 금속 이온을 흡착하여 나노 입자를 생산할 수 있는 중금속 흡착 단백질이 발현되게 대장균의 유전자를 재조합하였다.

3. 중금속흡착단백질 (metal adsorption protein)
  ○ 중금속을 제거하거나 흡착시키기 위해 생물체 내에 생산되는 단백질로서 특히 폐수내의 미생물이 다량 발현할 수 있다. 폐수 중에 함유되어 있는 대량의 질산염이나 인산염은 물 표면에서 남조나 조류와 같은 광합성 미생물이 자랄 수 있게 하며 이 균체는 중금속과 결합한다(생물흡착). 새로운 유전공학 기술의 도입으로 난분해성 화학물질을 분해하거나 이를 역으로 활용하여 중금속기반의 나노재료를 합성하는 목적으로 사용될 수 있다.

4. 상자성나노입자 (paramagnetic nanoparticle)
  ○ 자기장 안에 넣으면 자기장 방향으로 약하게 자화되고, 자기장이 제거되면 자화되지 않는 나노입자를 말한다. 자화되는 크기는 주위의 자기장의 크기에 비례하며, 자화되는 정도는 자화율로 표현될 수 있다. 알루미늄, 망간, 주석, 백금, 이리듐 외에 산소, 공기 등이 이에 속한다.

5. 마이크로 액적 (micro-droplet)
  ○ 마이크로플루이딕 칩 안에서 제조되는 미세 액적을 말한다. 자연적으로 물과 기름과 같이 서로 혼합되지 않는 액체를 이용하면 액적이 손쉽게 만들어지나 크기 조절이 쉽지 않다. 마이크로플루이딕 칩을 이용하면 유체의 유속과 미세채널의 규모를 조절하여 일정하고 균일한 크기의 마이크로 액적을 안정적으로 제조할 수 있으며, 이 크기는 채널의 너비와 깊이, 유체의 유속 등을 조절하여 제어할 수 있다. 마이크로 액적은 나노리터 수준 이하의 부피를 갖으며 미세 반응기로 사용할 수 있기 때문에 이를 이용하여 생물·화학적 연구가 많이 이루어지고 있다.

사   진   설   명

1. 마이크로 액적 내에서 재조합 대장균에 의한 균일한 나노입자의 합성
 

마이크로플루이딕 칩에서 생산된 균일한 마이크로 액적을 이용하여 같은 갯수의 유전자 재조합 대장균과 Fe2+, Mn2+의 상자성 금속 이온을 포획시킬 수 있다. 유전자 재조합에 의해 중금속 흡착단백질이 발현된 대장균은 마이크로 액적 내에서 상자성 금속 이온을 상자성 나노입자(FeMn)로 합성하게 된다. 모든 액적 내에 포획되어 있는 대장균의 수, 금속 이온 농도, 온도 등 동일한 나노입자 합성 조건을 갖게 되고, 그 결과 재조합된 대장균 내에서 균일한 크기의 상자성 나노입자가 합성될 수 있게 된다. 이러한 연구결과는 기존의 생물공학적 대량 반응에 의해 합성된 나노입자가 갖는 크기의 불균일성을 보다 향상시킬 수 있고, 친환경적이고 경제적인 새로운 나노입자 합성 기술을 제시한다.