[미국] 나노입자-멤브레인 상호작용에 대한 새로운 연구결과
미국 연구진은 나노입자의 안전성을 측정하기 위해서 나노입자-세포막의 상호작용을 조사했다.
놀라운 성능을 가진 재료들은 지난 수십 년 동안에 알려지지 않았던 환경적인 위험을 내포하고 있다. 나노기술의 분야는 점점 더 성장하고 있고, 과학자들은 새로운 제품이 폭넓게 적용되기 전에 잠재적인 위험 요소를 알기 원했다.
과거에는 이것이 어떤 위험을 가지는지를 알지 못했다. 나노물질을 가진 제품을 만들고 이것을 시장에 출시하기 위해서는 환경 또는 안정성 위험에 대한 조사가 선행되어야 한다. 나노기술은 의학, 전자, 에너지, 생체재료 분야에서 많은 잠재력을 가지고 있지만, 이것은 장기간 노출될 때 인간과 환경에 독성을 불러올 수 있다.
나노기술은 일자리 창출, 신제품 개발, 더 나은 재료의 개발 등과 같은 많은 분야에 큰 영향을 끼치고 있다. 이것은 새로운 산업 혁신을 이끌 수 있을 것이다. 그래서 과학자, 기술자, 정책 입안자는 최소한의 환경적인 영향을 가지면서 최고의 특성을 가진 재료를 디자인할 수 있기를 원하고 있다.
미 국립 과학 재단(National Science Foundation)으로부터 자금을 지원받은 로드아일랜드 대학(University of Rhode Island)의 연구진은 나노입자가 세포막과 어떻게 결합되고 세포막 프로세스에 어떤 영향을 끼치는지를 조사했다.
과학자들은 이런 물리적 상호작용이 어떻게 일어나는지와 그들이 독성에 어느 정도 기여하는지를 충분히 알지 못한다. 나노입자는 세포를 억제하거나 죽일 수 있다. 예를 들어, 멤브레인과 결합하는 많은 천연 항균 분자들이 존재하는데, 나노입자는 이것을 방해하고 구멍을 부수어서 세포 죽음을 이끈다.
나노입자들은 의복, 의약품, 화장품, 선크림 등과 같은 인체에 많이 접촉하는 제품에 사용된다. 예를 들어, 은 나노입자들은 사냥 장비와 운동복에 많이 사용되고, 항생제처럼 작용한다. 그들은 은 이온들을 방출함으로써 박테리아를 죽일 수 있다. 우리는 이런 은에 노출되지만, 어떤 위험이 존재하는지를 알지 못한다.
이 연구의 목적은 나노입자가 독성을 가질 수 있는지를 예측하는 것이다. 그래서 전문가들이 이런 정보를 이용해서 나노입자-세포막 상호작용을 이해할 수 있게 한다. 만약 이런 입자들이 세포와 어떻게 부착되는지에 대한 메커니즘을 이해할 수 있다면, 이것은 박테리아에 선택적으로 결합되는 입자를 디자인하는데 도움을 줄 수 있을 것이다.
이번 연구팀이 만든 합성 박테리아 세포막을 조사하기 위해서 투과 전자 현미경을 사용했고, 서로 다른 유형의 나노입자에 노출시켰다. 이번 연구진은 세포막 조성, 나노입자 유형 및 크기를 변화시켰다. 이번 연구진은 수많은 변수들을 조사했다. 이번 연구진은 이런 결합의 결과로서 멤브레인 속에서 일어나는 변화와 나노입자와 멤브레인의 결합을 직접적으로 이미지화할 수 있었다.
이번 연구진은 나노입자가 단백질처럼 행동할 수 있다는 것을 확인했다. 이것은 나노입자 상호작용을 이해하고 예측하는데 도움을 받기 위해서 단백질 상호작용에 대한 기존의 지식과 기술을 이용할 수 있다는 것을 의미한다. 예를 들어, 소수성 나노입자가 소수성 단백질과 유사하게 세포막 구조를 변화시킬 수 있다는 것을 보여준다.
마지막으로, 이번 연구진은 새로운 고등학교 프로그램을 개발하고 있다. “작은 생각이 큰 꿈을 이루게 한다.”는 기치 아래에서 현재 과학 수업을 진행하고 있다. 학생들을 투과 전자 현미경으로 나노물질을 분석하게 될 것이다. 이 활동의 목적은 나노기술에 대해서 알려주고 학생들이 이 기술에 흥미를 가질 수 있게 하는 것이다. 나노기술은 향후에 인간의 삶에 중요한 영향을 끼칠 것이다.
그림. 반대로 대전된 세포막(인지질 이중층)과 결합된 찰 산화물 나노입자(흑색)의 투과 전자 현미경 이미지. 세포막은 물속에 분산된 구형 소포(vesicle)의 형태로 존재한다. 나노입자와 세포막 간의 접착력은 소포의 형태 변형을 유도한다.
[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2014년 7월 8일]
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Researcher examines nanoparticle-membrane interactions to determine safety
Sometimes breakthrough materials with important benefits to society pose environmental risks that aren't apparent until decades later. In the growing field of nanotechnology--the creation of materials or processes at the nano-scale--researchers are trying to identify potential hazards before new products are in widespread use.
"Too often in the past we don't know whether something will become a risk until it's too late and it's already out there," says Geoffrey Bothun, an associate professor of chemical engineering at the University of Rhode Island. "Rather than create products with nanomaterials in them and simply releasing them into the marketplace, the field wants to get a better handle on what sort of environmental or safety risks are associated with these materials."
Nanotechnology offers the potential for many new applications in medicine, electronics, energy and biomaterials but, like any new technology, it also raises concerns about possible toxicity to humans and the environment from long-term exposure. "There is a lot of excitement over what nanotechnology can do for job creation, new product development and better materials," Bothun says. "It's thought to be the new industrial revolution. But scientists, engineers and policy makers want to get ahead of the game and guide the design of the best materials with the least environmental impact."
The National Science Foundation (NSF)-funded scientist specifically is studying how engineered nanoparticles bind to cell membranes, and the impact of the process on the membrane itself
"We don't know enough about how these physical interactions are taking place, and to what degree they contribute to toxicity," he says. "Nanoparticles can and do inhibit or kill cells. In some cases, that's what they are supposed to do. For example, there are a lot of natural antimicrobial molecules that bind to a membrane, disrupt it and break holes, leading to cell death." Nanoparticles exist in many products that come into close contact with humans, among them, clothing, medicine, cosmetics and sunscreen.
"Silver nanoparticles, for example, are in hunting gear and athletic clothing and act almost like an antibiotic," Bothun says. "They kill bacteria that cause stinkiness largely by releasing silver ions. We're exposed to this silver all the time, but whether or not it is dangerous is somewhat unknown." His research goal is to learn enough about what happens in nanoparticle-membrane interactions to allow experts to use this information in predicting whether the particles will prove toxic. "If we understand the mechanisms behind how these particles stick to cells, that should help us design particles that could selectively bind to, for example, bacteria and not human cells," he says.
Bothun is conducting his research under an NSF Faculty Early Career Development (CAREER) award, which he received in 2011. The award supports junior faculty who exemplify the role of teacher-scholars through outstanding research, excellent education, and the integration of education and research within the context of the mission of their organization. He and his team use transmission electron microscopy (TEM) to study synthetic bacterial cell membranes they create and then expose to different types of nanoparticles. "We can change the membrane composition, and nanoparticle type and composition and size," he says.
"We've got a lot of variables we can play with on both sides. With TEM we can directly image nanoparticle membrane binding and changes that occur in the membrane as a result of this binding." They already have determined that nanoparticles can behave like proteins, "meaning that we can use some of our existing knowledge and technologies on protein interactions to help understand and predict nanoparticle interactions," he says.
"For example, there are cases where hydrophobic (water hating) nanoparticles can change cell membrane structure similar to hydrophobic proteins." As part of the grant's educational component, the scientists have enhanced a freshman general education course at the university with the goal of educating students about the social, economic and environmental impacts of nanotechnology, as well as the need to effectively communicate emerging technologies to broad audiences.
They also plan to sponsor professional development activities, including research and specialized workshops, to supplement the curriculum. Finally, they are developing a new high school program, "Think Small/Dream Big!" for science classes in urban schools in the greater Providence area. Students will work with the transmission electron microscope, analyzing nanomaterials using state-of-the-art instrumentation. "The goal here is to inform and excite high school students about nanotechnology, and all of the STEM (science, technology, engineering and mathematics) fields, and to show them how nanotechnology will have an impact on their lives in the future and the role they can play," Bothun says.
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