‘3차원 홀로그래픽 현미경’ 기술 통해 미생물 바이오 플라스틱 관찰
‘3차원 홀로그래픽 현미경’ 기술 통해 미생물 바이오 플라스틱 관찰
  • 송협 선임기자
  • 승인 2021.07.28 10:55
  • 댓글 0
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KAIST 이상엽 특훈교수·박용근 석좌교수 연구팀 심층 분석 성공
ⓒ데일리포스트=KAIST 생명화학공학과 이상엽 특훈교수(사진 좌측), 물리학과 박용근 석좌교수 / KAIST 제공
ⓒ데일리포스트=KAIST 생명화학공학과 이상엽 특훈교수(사진 좌측), 물리학과 박용근 석좌교수 / KAIST 제공

[데일리포스트=송협 선임기자] “이번 연구를 통해 미생물 PHA 생산 원리에 대해 깊은 이해가 가능해졌고 생물학과 물리학의 융합 연구 성과라는데 의미가 있습니다. 앞으로도 다양한 바이오 플라스틱 생산 공정 개발에 큰 도움이 될 것으로 기대합니다.” (생명화학공학과 이상엽 특훈교수)

전 세계가 폐플라스틱에 따른 심각한 환경오염과 생태계 파괴, 미세 플라스틱의 인류 보건 위협이 고조됨에 따라 주요국들은 다양한 규제 및 대안 기술들을 연구하고 나섰다.

KAIST 생명화학공학과 이상엽 특훈교수와 물리학과 박용근 석좌교수 공동연구팀이 ‘3차원 홀로그래픽 현미경 기술을 통한 미생물의 바이오 플라스틱 과립 생산 특징 규명’에 성공했다.

3차원 홀로그래픽 현미경 기술을 통해 PHA 생산 박테리아의 심층 관찰 및 정량/정성 분석 연구를 수행했다. 연구팀은 PHA 한 종류인 PHA 생산 미생물로 잘 알려진 쿠프리아비두스 네카토르와 이 미생물의 PHB 합성 대사회로 유전자를 가진 재조합 대장균을 이용해 비교 분석을 실시했다.

PHA는 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌과 같은 범용 플라스틱과 유사한 물성을 가지고 있어 용기 포장재와 비닐, 일회용품 등 다양한 활용이 가능하다. 또 토양이나 해양 환경에서 생분해가 가능한 고분자라는 가장 중요한 장점을 보유하고 있다.

특히 PHA는 몇몇 미생물 내 불용성의 과립(granule) 형태로 발결되는 고분자 물질이며 미생물이 환경 변화 및 세포 상태에 따라 탄소원과 에너지원으로 세포 내 축적하고 있어 PHA가 세포 내 축적되는 원리를 관찰하기 위해 다수의 연구가 진행돼왔다.

미생물로부터 만들어지는 폴리에스테르인 폴리하이드록시알카노에이트(이하 PHA)는 기존 합성 플라스틱을 대체할 친환경 바이오 플라스틱으로 주목받고 있다.

PHA 생산 미생물의 3차원 광 회절 단층 촬영 과정의 모식도
PHA 생산 미생물의 3차원 광 회절 단층 촬영 과정의 모식도

PHA가 새포 내 축적되는 원리를 관찰하기 위해 형광 현미경과 투과전자현미경, 전자 저온 촬영 등 기술이 이용됐다. 이는 2차원상 이미지만을 제시하거나 형광 물질과 같은 별도 표식, 세포의 고정. 절편 제작 과정이 요구돼 세포 원래 상태의 관측에 어려움이 있었다.

때문에 기술적 한계로 세포 내 PHA 과립 형성에 대한 완전한 이해가 어려웠고 관측 결과에 기반을 둔 여러 형성 메커니즘 모델만이 제안돼왔다.

이에 연구팀은 재구성된 세포의 3차원 굴절률 분포로 단일세포 수준에서 세포와 세포 내 과립 3차원 시각화와 부피, 질량, 밀도, 분포 등 전량 분석에 성공했다.

특히 단일세포 내 PHA 과립의 밀도 개념을 새롭게 제시했으며 미생물에서 PHA 과립의 밀도의 차이 및 세포 내 분포 형태와 위치에 대한 특이적인 차이를 발견했다.

여기에 두 미생물의 PHA 과립 형성 차이를 나타내게 하는 핵심 단백질을 규명해 재조합 대장균의 PHA 과립 형성의 양상을 쿠프리아비두스 네카토르와 유사하게 변화시킬 수 있었다.

한편 이번 연구 결과는 27일 국제 학술지 ‘미국국립과학원회보’에 온라인으로 게재됐으며 과기정통부가 지원하는 기후변화대응기술개발사업과 바이오 의료기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.

◆용어해설
▶폴리하이드록시알카노에이트(PHA)는? 미생물이 질소와 인, 황 등과 같이 특정 영양분이 부족해 세포 성장에 적합하지 않은 환경에서 잉여 탄소원을 에너지원과 탄소원으로 축적해두는 목적으로 만들어지는 폴리에스테르 고분자 물질이며 바이오기반 생산 및 생분해성 고분자로 석유 자원 유래 플라스틱을 대체할 바이오 플라스틱으로 각광 받고 있다.
▶PHA 과립(PHA granule)은? PHA는 박테리아의 세포질 내 불용성의 과립 형태로 발견되는데 과립 표면에 PHA 합성효소와 분해 효소, 조절 효소 등 여러 효소 및 단백질들이 붙어 작용하고 있어 환경 변화 및 세포 상태에 따라 PHA를 합성하거나 분해할 수 있다.
▶3차원 홀로그래픽 현미경(광회절 단층 촬영 기술)은? 세포에 빛을 다양한 각도로 입사시켜 측정한 여러 장의 2차원 홀로그램으로부터 산란된 빛의 정보를 추출한 뒤 푸리에 회절 원리를 바탕으로 한 복원 알고리즘을 이용해 세포의 3차원 굴절률 분포를 재구성하는 방법이다.

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