마이크로 및 나노기술의 발전은 고체 또는 액체 속을 이동할 수 있는 다양한 모바일 소자 개발로 이어지고 있다.

 

연구진은 박테리아의 편모모터(flagellar motors)와 같은 생물 시스템의 모방 및 복제, 또는 다양한 화학 반응을 적용함으로써 나노 영역의 추진 시스템을 디자인하기 위한 전략을 세우고 있다.

 

지난 2~3년간 약물 전달에서부터 환경 복원 분야에 이르기까지 여러 마이크로모터 응용 기술들이 보고됐다. 하지만 수자원의 품질을 테스트하기 위한 살아있는 수중 생물 활용과 같이, 나노머신 기반의 유해성 분석 분야에서는 활용된 바 없다.

 

              [그림 1] 오염물이 카탈라아제를 억제함으로써 마이크로피쉬의 운동 속도에 미치는 영향

 

 

미국 University of California 소속 Joseph Wang 교수가 이끄는 연구진은 간단한 저비용의 나노기술을 통해 수질을 평가할 수 있는 기술을 개발했다.

 

물 속에서 추진력의 변화 및 바이오촉매 특성의 인공 “microswimmer”의 수명을 통해 확인이 가능하다. 즉, 유해성 테스트를 위해 자연속 물고기가 얼마나 오래 살아 남는지 테스트하는 것과 유사하다.

 

연구 결과는 2012년 12월 12일자 ACS Nano지에 “Artificial Enzyme-Powered Microfish for Water-Quality Testing”란 제목으로 게재됐다.

 

연구진이 개발한 마이크로모터 유해성 테스트 개념은 살아있는 물고기를 통해 수 테스트 및 유해성에 따른 카탈라아제 효소 억제 현상을 기반으로 한다. 독소에 따라 효소는 마이크로모터 거동에 영향을 주게 되는 것이다.

 

이는 살아있는 물고기를 활용하는 경우에 발생하는 윤리적 문제를 피하고, 또한 표준화/신뢰성 등의 문제를 해결할 수 있는 분석 방법이라 할 수 있다. 살아있는 물고기의 경우 유해성 판정을 위해 현재 가장 널리 활용되고 있는 방법이다.

 

연구진은 템플레이트를 기반으로 PEDOT/Gold로 구성된 이중층 마이크로튜브를 전착(electrodeposition)함으로써 마이크로 크기의 인공적인 물고기를 제작했다. 원뿔 모양의 마이크로튜브는 길이 8 um, 외경 1.2~2.0 um, 그리고 내경 0.8~1.6 um의 크기를 갖는다.

 

마이크로튜브 내부의 효소층에서 과산화수소의 바이오촉매 분해가 일어나면서 발생하는 산소 버블은 튜브에 추진력을 제공함에 따라 효과적인 움직임이 가능하다. 하지만 중금속, 농약, 또는 제초제와 같은 화학적 스트레스 상황에 직면하게 되면 카탈라아제의 바오이촉매 거동이 억제되고 버블이 발생 비율이 줄어들고, 결국 마이크로피쉬의 운동 속도를 저하시키게 된다.

 

인공 마이크로피쉬의 움직임을 광학적인 방법으로 추적함으로써 물의 유해성에 관해 간단하게 실시간 정보를 제공할 수 있는 것이다. 생물감지물질(bioreceptor)을 활용하는 기존 기술에 비해 추가적인 표면 기능화 없이 수질 테스트가 가능한 것이다. 이는 살아 있는 물고기를 활용하는 것이다.