3차원 홀로그래픽 현미경 기술을 이용해 박테리아가 PHA를 만드는 과정을 실시간 관찰한 모습/KAIST 제공
한국과학기술원(KAIST) 이상엽 생명화학공학과 특훈교수와 박용근 물리학과 석좌교수 공동연구팀이 3차원 홀로그래픽 현미경 기술을 이용해 살아 있는 미생물 내 바이오 플라스틱의 생성 과정을 관찰했다.
미생물로 만드는 폴리에스테르인 폴리하이드록시알카노에이트(PHA)는 토양이나 해양 환경에서 생분해가 가능한 고분자 물질로 기존 합성 플라스틱을 대체할 수 있는 친환경 바이오 플라스틱이다.
PHA는 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌과 같은 범용 플라스틱과 물성이 비슷해 용기 포장재, 비닐, 일회용품에 쓸 수 있다.
미생물이 환경 변화나 세포 상태에 따라 탄소원, 에너지원으로 세포 속에 축적한다.
그동안 축적 원리를 관찰하기 위해 형광 현미경, 투과전자현미경 등을 이용했지만 2차원적인 이미지만을 보여주거나 세포 그대로의 상태에서 관측하기 어려웠다.
연구팀은 3차원 홀로그래픽 현미경 기술을 이용해 PHA 생산 박테리아를 관찰하고 정량·정석적으로 분석했다.
PHA의 한 종류인 PHB 생산 미생물로 잘 알려진 쿠프리아비두스 네카토르와 이 미생물의 PHB 합성 대사회로 유전자를 가진 재조합 대장균을 이용해 분석했다.
실시간 모니터링을 통해 최대 약 8시간 동안의 세포와 세포 내 PHA 과립의 성장 과정을 보여주는 3차원 영상도 만들었다.
미생물이 살아 있으며 별도 처리 과정이 없는 자연 상태 조건에서 세포 내 PHA 과립의 형성과 세포 분열과 연계된 이동을 3차원에서 실시간으로 관측했다.
이번 성과는 향후 다양한 바이오 플라스틱 생산 공정 개발에 도움이 될 것이라는 평가를 받고 있다.
특히 환경오염과 생태계 파괴를 유발하는 플라스틱의 처리 등에도 상당한 역할을 할 것으로 기대되고 있다.
이상엽 특훈교수(왼쪽)와 박용근 물리학과 석좌교수/KAIST 제공
연구팀은 “미생물의 PHA 생산 원리에 대해 깊이 이해할 수 있는 계기가 됐으며 생물학과 물리학 융합연구로 이뤄낸 성과”라고 밝혔다.
이번 연구 결과는 국제 학술지인 ‘미국국립과학원회보(PNAS)’에 27일자 온라인으로 게재됐다.
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