과학자들은 박테리아를 공학적으로 제어하여 물로부터 납(lead)을 제거하기 위하여 박테리아(bacteria) 세포 위에 납을 결합시키는 방안을 제안했다. 배터리 제조와 같은 산업 활동은 납과 다른 독성 중금속으로 물을 오염시킨다. 최근 중국 연구진은 독성 금속을 검출하고 물에서 독성 금속을 제거할 수 있도록 박테리아를 공학적으로 제어했다.

비록 킬레이트 시약(chelating agent)과 흡착재(sorbent materials)가 물에서 중금속 정화를 수행할 수 있지만, 근로자들은 아직까지 오염물질을 생성시킬 수 있는 오염성 재료에 노출되어야만 한다고 중국 난징 대학(Nanjing University)과 베이징 대학(Peking University) 산하 선전 대학원(Shenzhen Graduate School) 소속인 Jing Zhao는 밝혔다. Zhao의 연구팀은 산업계에서 다시 사용할 수 있는 가능성을 고려하여 오염된 물에서 중금속을 회수하는 보다 더 지속가능한 접근 방안을 개발해왔다.

연구진은 최근 금과 결합하는 단백질(gold-binding protein)을 발현시키기 위하여 박테리아를 공학적으로 제어하여 폐수로부터 금속을 검출하고 회수할 수 있는 방안을 제안했다. 연구진은 유사한 전략이 납을 제거하는 데 도움을 줄 수 있다고 생각했다. 금-특이 감지 단백질(GolS; gold-specific sensory protein)이 대장균과 결합되어 적색 형광 단백질(RFP; red fluorescence protein)과 함께 공학적으로 제어되어 매우 민감하고 선택적인 수준에서 육안으로 금(III)의 전체 세포 검출을 가능하게 해주었다.

따라서 중산 대학(Yat-Sen University) 소속의 Zong-Wan Mao를 포함한 동료 연구진과 Zhao는 대장균(Escherichia coli)이 세포의 표면 위에 납과 결합하는 단백질(lead-binding protein)을 발현할 수 있도록 공학적으로 제어했다. 표면 위에 단백질을 이용하여, 박테리아는 세포의 성장을 억제할 수 있는 세포 내부에 금속을 축적하지 않고 다량의 납을 포획할 수 있다. 또 연구진은 납이 표면 단백질에 결합할 때, 박테리아가 형광 신호를 생성할 수 있도록 일련의 유전자를 포함시켰다.

변경된 미생물은 금속의 농도가 5~300μM인 용액에서 5~12%의 납을 수집할 수 있었다. 중국에서 납 농도는 5 μM까지 폐수에서 허용되고 있지만, 불법 방출 지역에서는 300 μM 이상의 농도에 이른다고 Zhao는 밝혔다.

납-특이 결합 단백질(PbrR; lead-specific binding protein)과 납 내성 오페론(lead resistance operon)으로부터 프로모터(promoter, pbr) 및 Cupriavidus metallidurans(CH34) 등이 대장균과 통합되어 민감하고 선택적인 납 이온의 전체-세포 검출을 가능하게 하는 적색 형광 단백질(RFP; red fluorescence protein)과 함께 공학적으로 제어됐다. 대장균 세표 표면 위에 PbrR의 후속적인 보여줌은 다양한 중금속 이온을 함유하고 있는 용액으로부터 납 이온의 선택적인 흡착을 가능하게 해주었다.

표면이 공학적으로 제어된 대장균 박테리아는 높은 농도에서 납 이온의 독성으로부터 애기 장대(Arabidopsis thaliana) 씨앗의 발아를 효과적으로 보호할 수 있었다. Pbr 오페론으로부터 이러한 납 특이성 원소를 품고 있는 공학적으로 제어된 대장균 박테리아는 환경에서 독성 중금속 이온의 생물학적 환경 정화(bioremediation) 및 생물학적 검출(biodetection)을 위한 가치 있는 일반 전략으로 구축될 가능성이 있다.

비록 박테리아의 현재 납 제거 비율이 폐수를 처리할 수 있는 정도로 높은 수준은 아니지만, 연구진은 효율을 개선하기 위하여 세포를 최적화할 계획을 가지고 있다. 또 실용적인 납 제거 시스템을 구축하기 위하여, 연구팀은 현재 박테리아를 고분자막 또는 나노재료 위에 정착시키는 방법을 고안 중이다.

 

 

 

Industrial activities such as battery manufacturing can pollute water with lead and other toxic heavy metals. Now, Chinese researchers have designed a way to use microbes to get the lead out. They have engineered bacteria that can detect the toxic metal and remove it from water (Environ. Sci. Technol. 2014, DOI: 10.1021/es4046567).

 

Although chelating agents and sorbent materials can scrub heavy metals from water, workers still must dispose of the contaminated materials, which can create pollution, says Jing Zhao of Nanjing University and Peking University’s Shenzhen Graduate School. His team has developed a more sustainable approach to recover heavy metals from contaminated water for potential reuse in industry. They recently engineered bacteria to express a gold-binding protein, allowing them to detect the metal and recover it from wastewater (Chem. Sci. 2012, DOI: 10.1039/C2SC01119K). The scientists thought a similar strategy could help them get rid of lead.

 

So he and colleagues, including Zong-Wan Mao of Sun Yat-Sen University, engineered Escherichia coli to express a lead-binding protein on the cell’s surface. With the protein on the surface, the bacteria can grab large amounts of lead without letting the metal accumulate inside the cells, which can reduce their growth. The researchers also included a set of genes that allowed the bacteria to produce a fluorescent signal when lead binds to the surface proteins.

 

The modified microbes could collect 5 to 12% of the lead in solutions with concentrations between 5 and 300 μM of the metal. In China, lead concentrations up to 5 μM are allowed in wastewater, but illegal discharge sites may have concentrations of 300 μM or more, according to Zhao.

 

Although the bacteria’s current lead removal rates are not high enough for treating wastewater, the group plans to optimize the cells to improve their efficiency. Also, to make a practical lead removal system, the team is now designing a way to anchor the bacteria onto polymer membranes or nanomaterials.

 

[원문출처 : http://cen.acs.org/articles/92/web/2014/03/BeefedBacteria-Lead-Water.html]