[해외연구보고서] “3D 프린팅된 ‘살아있는 물질’로 오염된 물 정화할 수 있다”

캘리포니아대 샌디에고 캠퍼스 연구팀, 물에서 오염물질 제거하는 새로운 유형의 소재 개발

합성물질이 할 수 없는 방식으로 기능하고 자극에 반응할 수 있는 살아있는 물질 만들기 위해 생체 시스템과 고분자 물질 결합

『네이쳐 커뮤니케이션 저널』 최근호에 논문 발표 

캘리포니아대학교 샌디에고 캠퍼스(University of California, San Diego)의 연구원들은 물에서 오염물질을 제거하는 지속 가능하고 친환경적인 솔루션을 제공할 수 있는 새로운 유형의 소재를 개발했다. 사진처럼 살아있는 물질은 격자형 구조로 3D 프린팅된다. [사진출처(Photo source) = 캘리포니아대학교 샌디에고 캠퍼스(UC San Diego)]

 

캘리포니아대학교 샌디에고 캠퍼스(University of California, San Diego)의 연구원들은 물에서 오염물질을 제거하는 지속 가능하고 친환경적인 솔루션을 제공할 수 있는 새로운 유형의 소재를 개발했다.

‘공학적 생명체(engineered living material)’라고 불리는 이 구조물은 다양한 유기 오염물질을 양성분자로 변환하는 효소를 생성하도록 유전자 조작된 박테리아와 결합된 해초 기반 폴리머로 만들어진 3D 프린팅 구조이다.

또한 박테리아는 차와 초콜릿에서 흔히 발견되는 테오필린(theophylline)이라는 분자가 존재할 때 자폭하도록 설계되었다. 이는 작업을 완료한 후 제거할 수 있는 방법을 제공한다.

연구진은 『네이쳐 커뮤니케이션 저널(Journal Nature Communications)』에 발표된 논문에서 새로운 오염 제거 물질대해 설명하고 있다.

이번 연구를 공동으로 이끈 캘리포니아대 샌디에고 캠퍼스의 존 포코르스키(Jon Pokorski ) 나노공학 교수는 “혁신적인 점은 일반 합성물질이 할 수 없는 방식으로 기능하고 자극에 반응할 수 있는 살아있는 물질을 만들기 위해 고분자 물질과 생물학적 시스템을 결합한 것”이라고 말했다. 

이 작업은 캘리포니아대 샌디에고 캠퍼스의 재료 연구과학 및 엔지니어링 센터(Materials Research Science and Engineering Center, MRSEC)의 엔지니어, 재료 과학자 및 생물학자들의 공동작업이었다. 다학제 팀의 공동 수석연구원으로는 분자생물학 교수인 수잔 골든(Susan Golden)과 제임스 W. 골든(James W. Golden), 나노공학 교수인 샤오첸 첸(Shaochen Chen)이 있다.

연구진은 이번 연구에서 살아있는 물질을 만들기 위해 해초(seaweed)에서 추출한 천연 고분자인 알진산염(알지네이트, alginate)를 사용하고, 이를 수화(hydrated)시켜 젤(gel)을 만든 다음 이를 남조류(시아노박테리아)으로 알려진 일종의 물에 서식하는 광합성 박테리아와 혼합했다. [사진출처(Photo source) = 캘리포니아대학교 샌디에고 캠퍼스(UC San Diego)]

 

수잔 골든(Susan Golden) 분자생물학 교수는 “이 협력을 통해 우리는 남조류(시아노박테리아, cyanobacteria)의 유전학과 생리학에 대한 지식을 적용하여 살아있는 물질을 만들 수 있었다”라면서 “이제 우리는 더 유용한 제품을 만들기 위해 남조류에 새로운 기능을 엔지니어링하는 것에 대해 창의적으로 생각할 수 있다”고 강조했다.

연구진은 이번 연구에서 살아있는 물질을 만들기 위해 해초(seaweed)에서 추출한 천연 고분자인 알진산염(알지네이트, alginate)를 사용하고, 이를 수화(hydrated)시켜 젤(gel)을 만든 다음 이를 남조류(시아노박테리아)으로 알려진 일종의 물에 서식하는 광합성 박테리아와 혼합했다.

RM 혼합물은 3D 프린터에 넣어졌다. 다양한 3D 인쇄된 기하학적 구조를 재료로 시험한 후, 연구원들은 격자무늬의 구조가 박테리아를 생존시키기에 최적이라는 것을 발견했다. 선택된 모양은 높은 표면적 대 부피비를 가지고 있는데, 이것은 대부분의 남조류를 재료의 표면 근처에 놓아 영양분, 가스, 그리고 빛에 접근하게 한다.

또한 표면적이 넓어짐으로써 오염 제거에 효과적이다.

개념 증명(proof-of-concept) 실험으로 연구자들은 물질에 있는 남조류를 유전적으로 조작하여 락카제(laccase, p-디페놀을 산소와 결합하여 p-퀴논으로 만드는 페놀산화효소)라는 오염 제거 효소를 지속적으로 생성했다.

연구에 따르면 라카제는 비스페놀A(bisphenol A, BPA), 항생제, 의약품 및 염료를 포함한 다양한 유기오염물질을 중화하는 데 사용될 수 있다. 이번 연구에서 연구원들은 그들의 물질이 직물산업(extile industry)에서 데님(청바지를 만드는 데 쓰이는 보통 푸른색의 질긴 면직물, denim)을 염색하기 위해 널리 사용되는 청색 염료인 염료 기반 오염물질인 인디고 카민(청색산성염료, indigo carmine)을 오염 제거하는 데 사용될 수 있음을 입증했다. 테스트에서 이 소재는 염료가 포함된 수용액을 탈색했다.

연구진은 오염물질이 제거된 후 남조류를 제거하는 방법도 개발했다. 연구진들은 테오필린(찻잎에 들어 있는 퓨린계 알칼로이드, theophylline)이라는 분자에 반응하도록 박테리아를 유전적으로 조작했다. 이 분자는 박테리아가 세포를 파괴하는 단백질을 생성하도록 촉발한다.

캘리포니아대 샌디에고 캠퍼스의 존 포코르스키(Jon Pokorski) 나노공학 교수는 “살아있는 물질은 관심 있는 오염물질에 작용할 수 있으며, 나중에 작은 분자를 첨가하여 박테리아를 죽일 수 있다”라면서 “이 방법으로 우리는 유전자 변형 박테리아가 환경에 남아 있다는 우려를 완화할 수 있다”고 강조했다.

[그림 1] 연구에 사용된 자극반응 생체 재료를 만들기 위한 조작된 남조류 사용에 대한 도식적 그림

절대 광독립영양생물인 S. elongatus의 유전적으로 조작된 균주를 천연 중합체 알지네이트의 매트릭스에 고정시켰습니다. 선택된 폴리머 스캐폴드는 수성 조건에서 팽윤될 수 있고, 매트릭스 내에서 영양분과 가스의 운반을 허용하며, 내장된 시아노박테리아 성장과 외부 신호에 의한 유전자 발현 유도에 적합한 미세 환경을 제공한다. [그림출처(picture source) = 『네이쳐 커뮤니케이션 저널(Journal Nature Communications)』]

 

연구자들은 바람직한 해결책은 화학물질을 첨가하지 않고도 박테리아가 스스로 파괴되도록 하는 것이라고 지적한다. 이것이 본 연구의 향후 방향 중 하나가 될 것이라고 말한다.

포코르스키 교수는 “우리의 목표는 환경에 이미 존재하는 자극에 반응하는 물질을 만드는 것”이라면서 “우리는 이 작업이 가져올 수 있는 가능성과 우리가 만들 수 있는 흥미롭고 새로운 소재에 대해 매우 기대하고 있다”고 강조했다. 

포코르스키 교수는 이어 “이는 재료과학과 생명과학 분야의 다학제적 전문지식을 갖춘 연구자들이 힘을 합쳐 이뤄낼 수 있는 연구”라면서 “이 모든 것은 캘리포니아대 샌디에고 캠퍼스의 재료 연구과학 및 엔지니어링 센터(UC San Diego MRSEC)의 학제간 연구 그룹 덕분에 가능했다”고 덧붙였다. 

이 연구논문의 제목은 ‘공학된 남조류를 포함한 전형적으로 복잡한 생물 재료(Phenotypically Complex Living Materials Containing Engineered Cyanobacteria)’로 공동 저자에는 △데비카 다타(Debika Datta), △엘리엇 L. 바이스(Elliot L. Weiss), △다니엘 왕프라수르트(Daniel Wangpraseurt), △에리카 힐드(Erica Hild), △사오첸(Shaochen Chen), △제임스 W. 골든(James W. Golden), △수잔 S. 골든(Susan S. Golden), △조나단 K. 포코르스키(Jonathan K. Pokorski) 등이며, 모두 캘리포니아대 샌디에고 캠퍼스에서 활동하고 있다.

이 연구는 캘리포니아대 샌디에고 캠퍼스의 재료 연구 과학 및 엔지니어링 센터(UC San Diego MRSEC)와 국립과학재단(DMR-2011924)의 일부 지원을 받았다.

[원문보기]

3D-printed ‘living material’ could clean up contaminated water

Researchers at the University of California, San Diego, have developed a new type of material that could offer a sustainable and eco-friendly solution to clean pollutants from water.

Dubbed an “engineered living material,” it is a 3D-printed structure made of a seaweed-based polymer combined with bacteria that have been genetically engineered to produce an enzyme that transforms various organic pollutants into benign molecules. 

The bacteria were also engineered to self-destruct in the presence of a molecule called theophylline, which is often found in tea and chocolate. This offers a way to eliminate them after they have done their job.

he researchers describe the new decontaminating material in a paper published in the journal Nature Communications.

“What’s innovative is the pairing of a polymer material with a biological system to create a living material that can function and respond to stimuli in ways that regular synthetic materials cannot,” said Jon Pokorski, a professor of nanoengineering at UC San Diego who co-led the research.

The work was a collaboration among engineers, materials scientists and biologists at the UC San Diego Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC). Co-principal investigators of the multidisciplinary team include molecular biology professors Susan Golden and James Golden and nanoengineering professor Shaochen Chen.

“This collaboration allowed us to apply our knowledge of the genetics and physiology of cyanobacteria to create a living material,” said Susan Golden, a faculty member in the School of Biological Sciences. “Now we can think creatively about engineering novel functions into cyanobacteria to make more useful products.”

To create the living material in this study, the researchers used alginate, a natural polymer derived from seaweed, hydrated it to make a gel and mixed it with a type of water-dwelling, photosynthetic bacteria known as cyanobacteria.

The mixture was fed into a 3D printer. After testing various 3D-printed geometries for their material, the researchers found that a grid-like structure was optimal for keeping the bacteria alive. The chosen shape has a high surface area to volume ratio, which places most of the cyanobacteria near the material’s surface to access nutrients, gases and light.

The increased surface area also makes the material more effective at decontamination.

As a proof-of-concept experiment, the researchers genetically engineered the cyanobacteria in their material to continually produce a decontaminating enzyme called laccase. 

Studies have shown that laccase can be used to neutralize a variety of organic pollutants including bisphenol A (BPA), antibiotics, pharmaceutical drugs and dyes. In this study, the researchers demonstrated that their material can be used to decontaminate the dye-based pollutant indigo carmine, which is a blue dye that is widely used in the textile industry to color denim. In tests, the material decolorized a water solution containing the dye.

The researchers also developed a way to eliminate the cyanobacteria after the pollutants have been cleared. They genetically engineered the bacteria to respond to a molecule called theophylline. The molecule triggers the bacteria to produce a protein that destroys their cells.

“The living material can act on the pollutant of interest, then a small molecule can be added afterwards to kill the bacteria,” said Pokorski. “This way, we can alleviate any concerns about having genetically modified bacteria lingering in the environment.”

A preferable solution, the researchers note, is to have the bacteria destroy themselves without the addition of chemicals. This will be one of the future directions of this research.

“Our goal is to make materials that respond to stimuli that are already present in the environment,” said Pokorski.

“We’re excited about the possibilities that this work can lead to, the exciting new materials we can create. This is the kind of research that can result when researchers with cross-disciplinary expertise in materials and biological sciences join forces. This is all made possible thanks to our interdisciplinary research group at the UC San Diego MRSEC.”

Paper title: “Phenotypically Complex Living Materials Containing Engineered Cyanobacteria.” Co-authors include Debika Datta*, Elliot L. Weiss*, Daniel Wangpraseurt, Erica Hild, Shaochen Chen, James W. Golden, Susan S. Golden and Jonathan K. Pokorski, all at UC San Diego.

This work was supported in part by the UC San Diego Materials Research Science and Engineering Center (UC San Diego MRSEC) and the National Science Foundation (DMR-2011924).

[출처=캘리포니아대학교 샌디에고 캠퍼스(University of California, San Diego)(https://www.universityofcalifornia.edu/news/3d-printed-living-material-could-clean-contaminated-water) / 2023년 9월 7일]

[연구논문 출처=『네이쳐 커뮤니케이션 저널(Journal Nature Communications)』(https://www.nature.com/articles/s41467-023-40265-2)]