홍합, 조개삿갓과 같은 조개류는 매우 점성이 있는 단백질을 분비하여 물속에서도 바위나 배의 외피 면에 단단하게 붙어있을 수 있다. MIT 공학자들은 이러한 자연적인 접착제에서 영감을 얻어 배를 수선하거나 상처 및 수술 절단자리를 고치는데 도움을 줄 수 있는 새로운 재료들을 디자인하였다. 이 새로운 소수성 접착제를 개발하기 위해서 MIT 연구원들은 표면에서 성장하는 박테리아에 의해 생성되는 얇은 막인 바이오필름에서 발견되는 박테리아 단백질뿐만 아니라 자연에서 얻어지는 끈적끈적한 홍합 단백질이 통합된 하이브리드 재료들 생산하기 위해 박테리아를 엔지니어드하였다. 이들이 결합되었을 때 단백질은 이전의 홍합이 배출한 접착제보다도 훨씬 강한 수중 접착제를 형성하였다.

네이처 나노테크놀로지에 게재된 이 프로젝트는 작은 공장으로서 박테리아를 사용하여 다중의 구성물을 가진 생물학적인 재료들을 합성하기 위한 새로운 종류의 접근법을 제시하고 있다. “우리에게 있어 궁극적인 목표는 우리가 다중의 다른 기능성 영역들이 결합된 재료들을 만들 수 있는 플랫폼을 만들고 이들이 보다 우수한 재료 성능을 줄 수 있는지를 연구하는 것”이라고 생명공학부 전기공학, 컴퓨터과학 부서(engineering and electrical engineering and computer science: EECS)의 조교수이며 이 논문의 저자인 Timothy Lu는 말한다. 홍합이 바다 속에서 표면에 붙어 있을 수 있게 해주는 접착성이 있는 재료는 홍합 발 단백질이라고 알려진 몇 개의 단백질로 만들어져 있다. “많은 수중 유기체들이 물체에 붙어 있는 것이 필요하기 때문에 그들은 여러분들이 아이디어를 받을 수 있는 다른 종류의 접착제를 만들어내고 있다”고 Lu는 말한다.

과학자들은 이전에 개인적인 홍합 발 단백질을 생산하기 위해서 대장균 박테리아를 엔지니어드하였지만 이들 재료들은 천연 접착제와 같은 특성을 가지지 못했다고 Lu는 말한다. 새로운 연구에서 MIT는 다른 두 개의 발 단백질을 생산하고 이들 곱슬곱슬한 섬유로 불리는 박테리아 단백질들을 결합하기 위해서 박테리아를 엔지니어드하기를 원한다. 이들 섬유질 단백질은 서로 군집을 이루고 함께 조립되어 훨씬 더 크고 복잡한 망상 구조를 만든다. Lu의 연구팀은 박테리아를 엔지니어드하여 홍합 발 단백질 3 혹은 홍합 발 단백질 5에 결합되는, 곱슬곱슬한 섬유들이 결합되어 있는 단백질을 만들었다. 이들 단백질들을 박테리아에서 정제한 후에 연구원들은 이들을 배양하여 단단하고 섬유상으로 된 망상구조를 만들었다. 이에 의해 건조 혹은 젖은 표면에 모두 강하게 결합하는, 규칙적이지만 유연한 구조를 가지는 재료를 얻었다.

“이 결과는 흡착 및 응집 성분에 독립적으로 기능을 하는 매우 강력한 습식 접착제를 개발할 수 있게 해주었다. 이 연구는 매우 창의적이며 철저하다”고 캘리포니아 산타바바라 대학의 화학 및 생화학과 교수인 Herbert Waite는 말한다. 연구원들은 작은 팁으로 시료의 표면을 탐지하는 기술인 원자 힘 현미경을 사용하여 접착제를 시험하였다. 연구원들은 접착제가 3개의 다른 재료들-규소, 금 및 폴리스틸렌-로 구성된 팁들에 매우 강하게 결합한다는 것을 발견하였다. 접착제는 홍합 발 단백질 3과 홍합 발 단백질 5를 같은 양 조립하여 만들었다. 같은 양을 조립하여 만들어진 접착제는 두 단백질의 다른 함량 혹은 단일 함량에 비해 훨씬 강한 접착 특성을 보였다. 접착제는 또한 자연적으로 발생하는 홍합 접착제보다 더 강한 접착 특성을 보이며 이들은 현재까지 보고된 생물학적으로 영감을 받은, 단백질을 기반으로 하는 가장 강한 수중 접착제로 알려지고 있다.

이 기술을 사용하여 연구원들은 단지 작은 양의 접착제를 만들 수 있으며 따라서 현재 보다 많은 양을 만들 수 있는 공정을 개발하고 있다. 이들은 또한 다른 발 단백질의 일부를 첨가하는 실험을 계획하고 있다. “우리는 다른 홍합 발 단백질을 첨가하는 것에 의해 접착 강도를 높일 수 있고 재료의 튼튼함을 유지할 수 있는지를 조사하고 있다”고 Lu는 말한다. 연구팀은 또한 표면의 손상을 감지하여 접착제를 배출하고 수선할 수 있는, 박테리아 필름들로 만들어진 “살아있는 접착제”를 만들 계획도 가지고 있다.

 

[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2014년 10월 2일]

 

 

 

Shellfish such as mussels and barnacles secrete very sticky proteins that help them cling to rocks or ship hulls, even underwater. Inspired by these natural adhesives, a team of MIT engineers has designed new materials that could be used to repair ships or help heal wounds and surgical incisions. 

 

To create their new waterproof adhesives, the MIT researchers engineered bacteria to produce a hybrid material that incorporates naturally sticky mussel proteins as well as a bacterial protein found in biofilms — slimy layers formed by bacteria growing on a surface. When combined, these proteins form even stronger underwater adhesives than those secreted by mussels.

 

This project, described in the journal Nature Nanotechnology, represents a new type of approach that can be exploited to synthesize biological materials with multiple components, using bacteria as tiny factories. 

 

“The ultimate goal for us is to set up a platform where we can start building materials that combine multiple different functional domains together and to see if that gives us better materials performance,” says Timothy Lu, an associate professor of biological engineering and electrical engineering and computer science (EECS) and the senior author of the paper.

 

The paper’s lead author is Chao Zhong, a former MIT postdoc who is now at ShanghaiTech University. Other authors are graduate student Thomas Gurry, graduate student Allen Cheng, senior Jordan Downey, postdoc Zhengtao Deng, and Collin Stultz, a professor in EECS.

 

Scientists have previously engineered E. coli bacteria to produce individual mussel foot proteins, but these materials do not capture the complexity of the natural adhesives, Lu says. In the new study, the MIT team wanted to engineer bacteria to produce two different foot proteins, combined with bacterial proteins called curli fibers — fibrous proteins that can clump together and assemble themselves into much larger and more complex meshes.

 

Lu’s team engineered bacteria so they would produce proteins consisting of curli fibers bonded to either mussel foot protein 3 or mussel foot protein 5. After purifying these proteins from the bacteria, the researchers let them incubate and form dense, fibrous meshes. The resulting material has a regular yet flexible structure that binds strongly to both dry and wet surfaces.

 

“The result is a powerful wet adhesive with independently functioning adsorptive and cohesive moieties,” says Herbert Waite, a professor of chemistry and biochemistry at the University of California at Santa Barbara who was not part of the research team. “The work is very creative, rigorous, and thorough.”

The researchers tested the adhesives using atomic force microscopy, a technique that probes the surface of a sample with a tiny tip. They found that the adhesives bound strongly to tips made of three different materials — silica, gold, and polystyrene. Adhesives assembled from equal amounts of mussel foot protein 3 and mussel foot protein 5 formed stronger adhesives than those with a different ratio, or only one of the two proteins on their own. 

 

These adhesives were also stronger than naturally occurring mussel adhesives, and they are the strongest biologically inspired, protein-based underwater adhesives reported to date, the researchers say.

Using this technique, the researchers can produce only small amounts of the adhesive, so they are now trying to improve the process and generate larger quantities. They also plan to experiment with adding some of the other mussel foot proteins. “We’re trying to figure out if by adding other mussel foot proteins, we can increase the adhesive strength even more and improve the material’s robustness,” Lu says.

 

The team also plans to try to create “living glues” consisting of films of bacteria that could sense damage to a surface and then repair it by secreting an adhesive. 

 

[원문출처 : http://www.materialstoday.com/biomaterials/news/engineered-proteins-stick-like-glue-even-in-water/]