바이오인

핵심내용

녹조류 세포 필름에서 광합성 전류 추출 기술 개발

□ 녹조류가 광합성할 때 생성되는 광합성 전자를 효율적으로 추출하는 기술이 개발되었다. 류원형 교수와 김용재 대학원생(연세대학교) 연구팀이 녹조류로 만든 세포 필름에 수많은 바늘모양 전극을 붙여 장기간 많은 수의 녹조류 세포에서 광합성 전류를 추출할 수 있게 되었다고 한국연구재단(이사장 노정혜)은 밝혔다.

□ 식물세포는 광합성을 통해 태양에너지를 고효율로 전기화학 에너지로 변환한다. 이 광합성 과정에서 전기에너지를 추출해 활용하려는 연구가 활발히 진행되었다. 그러나 아직까지는 세포 포획과 전극 삽입이 간단하지 않아, 대량의 전류를 추출하기 어려운 한계가 있다.

□ 연구팀은 녹조류 세포를 한 번에 쉽게 다룰 수 있도록 단일층의 세포 필름을 제작했다. 또한 바늘모양의 나노 전극이 조밀하게 배열된 기판을 개발해 대량의 조류세포에 삽입할 수 있게 했다. 나노 전극 기판 위에 세포 필름을 샌드위치처럼 올려놓고 압력을 가하면 수많은 조류에 동시에 전극이 삽입되어 전류를 추출한다.

□ 개발된 기술로 나노 전극 기판 1 제곱센티미터(cm2)의 작은 면적 위에서 약 10만개 이상의 조류세포의 전류를 추출할 수 있다. 그 결과, 전기화학적 중계물질 없이 100 나노암페어(nA) 이상의 광합성 전류가 추출되었고, 약 1주일 간 세포의 기능이 유지되었다.

□ 류원형 교수는 “개발된 세포 필름을 이용한 나노 전극 동시 삽입 및 대면적 광합성 전자 추출 기술은 조류세포와 같은 식물세포를 이용한 태양광 에너지 변환 시스템이 실험실 단계를 벗어나 실용화 단계로 나아갈 수 있는 첫 걸음”이라며 연구의 의의를 설명했다.

□ 이 연구는 과학기술정보통신부‧한국연구재단 글로벌프런티어 사업, 기초연구사업(선도연구센터)의 지원을 받아 수행되었다. 국제학술지 바이오센서스 앤 바이오일렉트로닉스(Biosensors and Bioelectronics) 10월 15일자 논문으로 게재되었다.

상세내용

■ 주요내용 설명

□ 논문명, 저자정보

논문명
Scalable long-term extraction of photosynthetic electrons by simple sandwiching of nanoelectrode array with densely-packed algal cell film

저  자
류원형 교수(교신저자, 연세대학교), 김용재 석/박사 통합과정(제1저자, 연세대학교)

□ 연구의 주요내용

 1. 연구의 필요성
  ○ 높은 에너지 변환 효율을 가진 광합성 과정에서 전기 에너지를 추출하고자 하는 연구들이 진행되어왔다. 특히, 광합성 전자가 식물세포의 생장 또는 다른 대사 사이클에 사용되기 전 단계에서 전자를 직접 추출하고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있다.
  ○ 해당 연구의 일환으로 틸라코이드 막(thylakoid membrane)이나 광계(photosystem)를 식물로부터 분리/추출하여 바이오-광-전기화학 (biophotoelectrochemical; BPEC) 에너지 변환 시스템을 구성하는 연구들이 진행된 바 있다. 하지만 이런 추출물들을 이용한 시스템은 추출물의 안정성이 떨어져 기능의 지속시간이 매우 짧고, 전자전달을 위한 별도의 매개체를 필요로 하는 등의 한계점이 있다.
  ○ 한편, 살아있는 식물세포에 나노 전극을 삽입하여 광합성 전자를 수확하는 경우에는 시스템이 매우 안정적이어서 장시간동안 성능감소 없이 동작이 가능하다. 하지만 단일 식물 세포 개당 추출 가능한 전기 에너지가 매우 미량(~ 1 ㎀/cell)인 한계점이 있다.
  ○ 따라서, 이 연구에서는 식물 조류세포를 대량으로 나노 전극에 삽입할 수 있는 방법을 고안하여 추출 가능한 광합성 전자의 양을 획기적으로 향상시킬 수 있는 기술을 개발하고자 하였다.

 2. 연구내용
  ○ 연구팀은 식물 조류세포의 높은 광합성 기능과 안정성을 활용하면서 높은 광합성 전류 추출량을 얻는 것을 목표로 했다. 대면적에 대량으로 적용이 가능한 규칙적으로 배열된 나노 전극 어레이 시스템을 개발 및 제작하고, 세포 필름을 제작하여 나노 전극 어레이에 대량의 식물 세포를 동시에 삽입하여 추출 가능한 광합성 전자의 양을 획기적으로 향상시키는데 성공했다.
  ○ 특히, 서로 다른 마이크로/나노 공정을 순차적으로 진행하여 식물 세포 삽입 후에도 안정적으로 생존이 가능하며, 더불어 광합성 전자 전달통로로 활용할 수 있는 대량의 나노 전극 어레이를 제작하는 기술을 개발하였다. 금속촉매 화학식각(metal assisted chemical etching)* 공정을 통해 규칙적으로 배열된 나노 기둥 어레이를 제작하고, 이를 실리콘 습식 산화와 식각 공정을 이용하여 두께가 500㎚ 미만인 얇고, 높이가 6㎛ 이상인 고 종횡비를 가지는 나노 전극 어레이를 제작하였다.
     * 금속촉매 화학식각 : 증착된 금속 박막을 촉매로 사용하는 실리콘 식각 방식 중 하나로, 금속 박막이 있는 부분이 선택적으로 식각되는 이방성 식각 공정임.
  ○ 제작된 나노 전극 어레이 기판은 간단한 후 공정을 통해 전극화를 진행하였다. 제작된 전극 기판은 전기적 시스템 구성을 위해 전압을 인가하고 발생하는 광합성 전자를 실시간으로 추출할 수 있는 초정밀 포텐시오스탯(potentiostat)*에 연결하였다. 모든 전기화학적 측정은 외부 노이즈를 최소화하기 위하여 전자기장 차단이 가능한 페러데이 케이지 내부에서 진행되었다.
     * 포텐시오스탯 : 전기화학적 반응을 유도하고, 측정하는데 적합한 장비로 주 전극에 특정 전압을 인가하는 동시에 발생하는 전자의 흐름을 높은 민감도로 측정할 수 있음.
  ○ 식물 세포는 핸들링이 가능하고, 전극 삽입에 용이하도록 알지네이트 (alginate) 하이드로젤(hydrogel)*과 혼합하여 식물세포 단층 필름을 구성하였다. 제작된 세포 필름은 광학 현미경 및 공초점 현미경의 형광 이미지를 통해 특성을 분석하였다. 대량의 식물 세포를 전극에 삽입하기 위해 전극 기판 위에 세포 필름을 올리고 압력을 가하는 방법을 사용했다. 인가한 압력에 따라 삽입되는 세포의 양이 달라지므로, 압력에 따른 광합성 전류 분석도 진행하였다.
     * 하이드로젤 : 고분자 체인의 가교를 통해 만들어지는 물질 중 하나. 일반적으로 긴 체인과 듬성듬성 위치한 가교로 인해 물을 흡수하여 머금는 능력이 우수함.
  ○ 대량의 세포를 나노 전극에 삽입 후 포텐시오스탯을 이용해 실시간으로 광합성 전자를 추출할 수 있는 전압을 인가하면서 광원에 반응하여 회로에 흐르는 전류를 측정하여 최대 106㎁의 광합성 전류를 측정하여 약 100,000개 이상의 세포에서 동시에 광합성 전류 추출이 가능함을 확인하였다. 더불어, 광량 및 인가전압에 따른 전류량의 측정, 광합성 억제제를 사용한 광합성 전류 확인을 진행하여 광합성 전류의 특성을 분석하였다. 이 후, 삽입된 세포의 생존성을 검증하기 위해 세포 필름 삽입 후 약 6일간 순차적으로 광합성 전류를 관찰하였고, 장시간동안 기능의 손실 없이 광합성 전자 추출이 가능함을 입증하였다.

 3. 연구성과/기대효과
  ○ 이 연구결과는 살아있는 식물 조류세포의 광합성 과정에서 전기 에너지의 직접 추출이 가능함을 입증했던 종래의 연구에서 한 걸음 더 발전하여 새로운 개념의 바이오-태양광 에너지 변환 기술 실용화의 첫 발판이 될 수 있음을 보여주었다.
  ○ 특히 연구팀의 이전 연구에서 한계점으로 지적되었던 다수 세포 동시 삽입의 기술적, 시간적인 문제점을 넘어 단순화된 방법으로 대량의 세포를 전극에 삽입하고, 광합성 전류량을 비약적으로 향상시킴으로써 실용적 기술로의 첫 단추를 꿰었다.
  ○ 태양광을 활용하여 에너지를 생산하는 광합성 기반 바이오-태양광 에너지 변환 기술이 여러 연구팀에서 연구가 진행되는 가운데, 살아있는 식물 세포를 사용하여 높은 광합성 지속 안정성을 유지하면서도 추출 가능한 전류량을 향상시키는데 성공한 이 기술은 향후 신재생 에너지 분야에서 지대한 역할을 수행할 수 있을 것으로 기대된다.

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