음료수(potable water)의 수요가 증가하면서 저비용·저에너지로 물을 정화시키는 방법의 필요성이 대두되었다. 싱가포르국립대학(National University of Singapore) 산하 환경연구소(Environmental Research Institute) 연구진은 갯벌·하구 등에 서식하는 맹그로브(mangrove)의 자연적인 물 정화 시스템에 영감을 얻어 낮은 압력에서 물을 정화시킴으로써 에너지 비용을 감소시킬 수 있는 독특한 생체모방형 멤브레인을 개발했다. 해당 기술은 물정화 비용을 30%까지 감소시킬 수 있을 것으로 기대된다.

오늘날 수질정화 산업에서 염수로부터 물을 추출하는 해수담수화 기술은 멤브레인 시스템에 의해 발생하는 높은 에너지 비용이 큰 문제가 된다. 이러한 산업적 수질정화 공정비용이 비싼 이유는 멤브레인 시스템을 관통해 물분자를 통과시키기 위해 높은 수압 혹은 삼투압이 요구되기 때문이다.

싱가포르 국립대학 화학·바이오공학과 부교수인 Tong Yen Wah가 이끈 연구진은 아쿠아포린(aquaporin)을 포함한 효율적인 생체모방형 멤브레인으로 수질정화 및 수처리 시스템의 설계·제작에 성공했다. 아쿠아포린은 세포막 단백질로 세포의 내외부로 선택적으로 물을 통과시키는 물질로 이온이나 다른 용매는 통과시키지 않는다. 아쿠아포린은 살아있는 세포막에서 물의 통로로 알려져 있다.

이러한 통로는 박테리아에서 맹그로브 식물 및 사람의 신장에 이르기까지 살아있는 모든 생명체에 존재하며, 매우 낮은 압력과 적은 표면적으로 불순물은 남겨두고 다량의 물분자만을 통과시킬 수 있는 자연 멤브레인 구조의 한 예이다. 아쿠아포린을 이용해 맹그로브 식물은 소금기가 있는 물에서도 생존할 수 있도록 적응되며 맹그로브의 뿌리는 통해 물의 90∼95%를 정화시킬 수 있다. 인간의 신장은 매일 150L까지 물을 걸러낼 수 있는 능력이 있다.
 

▲ 싱가포르 국립대학 연구진이 개발한 생체모방형 멤브레인은 맹그로브 뿌리(사진)의 세포층을 모방한 것으로 나노크기의 아쿠아포린 소포를 표면 임프린팅 기술을 이용해 초미세여과 멤브레인 기질에 장착한 것이다.

연구진은 낮은 압력과 적은 에너지를 사용해 물만 매우 빠르게 통과시킬 수 있는 채널 역할을 하도록 고분자 멤브레인에 아쿠아포린 단백질을 결합시키는 데 성공한 몇 안 되는 연구진 중 하나이다.

Tong 교수의 말에 따르면 생체모방형 멤브레인은 나노크기의 아쿠아포린 소포(vesicle)를 안정적이고 기능적인 초미세여과(ultrafiltration) 멤브레인에 내장시켜 맹그로브의 뿌리 세포층의 기능을 모방했다. 표면 임프린팅 기술(surface imprinting technology)은 손쉽게 이용이 가능하고 단순하지만 혁신적인 기술이며, 임프린팅 기술을 이용해 아쿠아포린을 장착하게 되면 아쿠아포린이 없는 멤브레인에 비해 더 빨리 물을 통과시키고 염의 누출도 적은 것으로 나타났다.

해당 멤브레인은 강도가 약한 기존의 생체모방형 멤브레인과 달리 수질 정화 공정 동안에도 높은 기계적 강도 및 안정성을 보였다. 수처리 및 탈염설비와 같은 산업공정에서도 공정의 적용이 가능해 훨씬 저렴한 비용으로 많은 양의 음용수를 확보할 수 있게 된 것이다.

▲ Tong Yen Wah 싱가포르 국립대학 화학·바이오공학과 부교수가 개발한 생체모방형 멤브레인을 보여주고 있다.

연구진은 현재 미국 소재의 한 기업과 2년 이내에 멤브레인의 실용화 타당성 연구를 위한 파일럿 규모의 모듈을 개발하기 위해 협의 중이며, 원하는 특성과 기능을 가진 생물학적 멤브레인 단백질을 합성 멤브레인과 통합시키려는 연구를 진행하고 있는 생물학 및 바이오의학 분야에도 활용할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

또한 연구진은 현재 AWAK Technologies사와 착용 가능한 신장 투석 기기(wearable kidney dialysis device)를 제조하기 위한 유사한 생체모방형 멤브레인 개발을 논의 중이다. 미래의 착용 가능한 신장 투석 기기는 어떤 흡수체도 필요 없을 뿐만 아니라 크기도 훨씬 작아질 전망이다.