바이오산업동향

KAIST는 생명화학공학과 이상엽 특훈교수 연구팀이 생물학적으로 합성된 무기 나노재료의 종류와 응용을 총망라해 최신의 연구내용과 흐름을 한눈에 파악할 수 있도록 전략을 정리한 `미생물과 박테리오파지를 이용한 생물학적 무기 나노재료의 합성 및 응용' 논문을 발표했다고 4일 밝혔다.

금속 물질 등이 주된 무기 나노재료(inorganic nanomaterial)는 물리·화학적 합성법들에 따라 얻어지며, 고온·고압의 조건에서 반응이 이뤄지고, 유독한 유기용매 및 고액의 촉매가 필요해 환경오염의 문제를 일으키는 단점이 있다.

생물학적 무기 나노재료 합성법은 친환경 및 단순한 공정으로 경제적인 효과는 물론 생물학적 무기 나노재료의 높은 생체 적합성을 장점으로 촉매, 에너지 수확 및 저장, 전자기기, 항균물질, 바이오 의료 분야 등 폭넓게 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

연구팀은 미생물과 박테리오파지를 이용해 55개 주기율표 원소 기반 단일 또는 두 가지 원소 조합으로 146개의 무기 나노재료가 생물학적으로 합성 가능함을 보였다.

생물학적 무기 나노재료 합성에는 박테리아, 곰팡이, 조류, 박테리오파지가 주로 이용됨을 정리했다. 이들의 합성 메커니즘에는 효소·비효소 단백질, 펩타이드, 전자 수송경로의 구성 요소 등이 주요 역할을 담당하고 있다.

특히 연구팀은 유전적으로 조작된 미생물과 박테리오파지들을 이용하면 생물학적 무기 나노재료의 합성 수율을 높일 수 있다고 밝혔다. 유전적으로 조작된 미생물들은 무기 이온에 대한 결합력을 높이고 무기 이온의 생물학적 환원을 증가시키는 한편 무기 이온의 생물체에 대한 독성을 줄이기 위한 전략으로도 도입된다.
 
이번 연구에는 미생물과 박테리오파지를 이용한 무기 나노재료의 생산 가능성과 크기, 모양, 결정성을 조절하기 위한 전략들이 포함됐다.
연구팀은 결정질 무기 나노재료를 생물학적으로 합성하기 위해 물질의 열역학적 안정성을 나타내주는 푸베이 다이어그램 분석을 활용한 전략도 제시했다.
 
또한 연구팀은 생물학적 나노재료의 합성 시 고려해야 하는 사항을 정리한 10단계의 흐름도를 제시했다. 현재 생물학적으로 합성된 무기 나노재료들은 촉매, 에너지 수확 및 저장, 전자기기, 항균물질, 의생명 분야의 응용에 적용됐다.

이상엽 특훈교수는 "생물학적 나노재료들이 추후 바이오 의료 분야의 재료, 바이오 전자기기, 친환경 화학물질 생산 등에 새롭게 적용될 수 있을 것ˮ이라고 기대감을 내비쳤다.
이번 연구 성과는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기후변화대응사업의 바이오리파이너리를 위한 시스템대사공학 연구과제 지원으로 수행됐으며, KAIST 생명화학공학과 최유진 박사가 제1 저자로 참여한 논문은 우수성을 인정받아 국제학술지 `네이처 리뷰 케미스트리(Nature Reviews Chemistry)'에 12월호 표지논문으로 게재됐다.

주요내용 설명

작성 : KAIST 이상엽 특훈교수

논문명
Biosynthesis of inorganic nanomaterials using microbial cells and bacteriophages
저널명
Nature Reviews Chemistry
키워드
Inorganic nanomaterial(무기 나노재료), Biosynthesis(생물학적 합성), Microorganism(미생물), Bacteriophage(박테리오파지), Application(응용)
DOI
https://doi.org/10.1038/s41570-020-00221-w
저  자
이상엽 특훈교수(교신저자/KAIST), 최유진 박사(제1저자/KAIST)

1. 연구의 필요성
 ○ 무기 나노재료(inorganic nanomaterial)는 물리, 화학, 재료, 전자 등 다양한 분야에서 사용되고 있으며, 효율적인 합성 기술과 새로운 종류의 나노재료를 개발하는 연구들이 활발하게 이루어지고 있다.
 ○ 일반적인 무기 나노재료들은 물리·화학적 합성법들에 의해 얻어지며, 금속 원소에 화학물질의 환원제를 사용하여 고온·고압의 조건에서 반응이 이루어지고, 유독한 유기용매 및 고액의 촉매를 필요로 하여 환경오염의 문제와 더불어 에너지 효율과 경제성이 떨어진다는 문제점이 있다.
 ○ 따라서 나노재료의 친환경적이고 경제적인 대안으로 생물체의 금속 이온에 대한 생물학적 해독(detoxification) 기작 특성을 이용하여 온화한 조건에서 이루어지는 나노재료의 생물학적 합성에 대한 연구들이 주목받고 있다.
 ○ 최근 본 연구팀을 비롯하여 유전적으로 조작된 미생물(genetically engineered microorganism)을 이용한 무기 나노재료의 생물학적 합성에 대한 연구들이 보고되었다. 그러나, 이를 반영한 생물학적으로 합성 가능한 나노재료의 종류와 특징에 대한 총정리가 이루어지지 않았으다. 또한, 야생형 균주와 대비하였을 경우 개선된 합성 수율 및 무기 나노재료의 종류의 다양성에 대한 장점들이 비교되지 않았다.
○ 현재까지 미생물(microorganism)과 박테리오파지(bacteriophage)를 이용하여 생물학적으로 합성된 무기 나노재료들의 응용처에 대한 정리를 바탕으로 추후 적용 가능한 분야에 대한 제안이 필요하다.

2. 연구내용
 ○ 본 연구에서는 현재까지 야생형 및 재조합 미생물과 박테리오파지를 이용하여 합성된 생물학적 무기 나노재료의 종류는 총 146가지이며, 이는 주기율표 내 55가지 원소를 기반으로 단일 또는 두 가지 이상의 조합을 통해 생물학적 합성이 가능함을 정리하였다.
     ※ 나노재료(nanomaterial): 적어도 1차원에서 100 나노미터(nm) 이하의 크기를 갖는 재료.
 ○ 현재까지 무기 나노재료를 생물학적으로 합성하기 위해 야생형 미생물들인 박테리아(bacteria), 곰팡이(fungi), 조류(microalgae)와 박테리오파지가 주로 이용되고 있으며, 각 생물체를 이용하여 무기 나노재료를 합성할 경우의 장단점을 제시하였다.
○ 유전적으로 조작된 미생물(genetically engineered microorganism)과 박테리오파지들을 이용하면 생물학적 무기 나노재료의 합성 수율을 높일 수 있다. 유전적으로 조작된 미생물들은 무기 이온에 대한 결합력을 높이기 위해, 무기 이온의 생물학적 환원을 증가시키기 위해, 무기 이온의 생물체에 대한 독성을 줄이기 위한 전략으로 도입되었다.
   ※ 유전적으로 조작된 미생물(enetically engineered microorganism): 형질전환, 형질도입, 세포융합 등을 위해 야생형 미생물의 유전자에 임의의 다른 유전자를 결합하여 만들어진 미생물.
○ 생물학적 무기 나노재료의 합성 메커니즘을 정리하여 주요 인자에 대한 역할들을 정리하였다. 생물체의 효소(enzyme), 비효소 단백질(non-enzyme protein), 펩타이드(peptide), 전자수송경로(electron transport pathway)의 구성 요소 등이 반응기 내의 금속과 비금속 이온들을 환원(reduction)시켜 무기 나노재료로 변환시키는 주요 역할을 담당하고 있다.
 ○ 미생물과 박테리오파지를 이용한 무기 나노재료의 생산가능성(producibility)과 나노재료의 물리 및 화학적 특성에 주요 영향을 미치는 크기(size), 모양(shape), 결정성(crystallinity)을 조절하기 위한 전략들을 소개하였다.
○ 결정질(crystalline) 무기 나노재료를 생물학적으로 합성하기 위해 물질의 열역학적 안정성을 나타내주는 푸베이 다이어그램(pourbaix diagram) 분석을 도입하는 방법을 제안하였다. 푸베이 다이어그램 도표를 통해 열역학적 안정성을 갖는 물질 상태들을 예상할 수 있으며, 이를 기반으로 합성 가능한 물질의 예측 및 전위와 용액의 pH를 조절하여 결정질 나노재료의 합성이 가능하다.
      ※ 결정질(crystalline): 물질을 구성하는 원자들의 배열이 규칙적이고 반복적으로  이루어져 결정에 의한 X선 회절 현상이 확인되는 고체물질.
     ※ 푸베이 다이어그램(pourbaix diagram): 수용액 상에서 존재하는 금속이나 금속  이온의 열역학적 평형상태를 표준수소전극(SHE, standard hydrogen electrode) 에 대한 전위(Eh)와 pH(수소이온 농도)와의 관계로 나타낸 도표. 열역학적으로 안정한 화학종의 형태는 온도·압력·금속이온의 농도 변화에 의해서도 달라짐.
 ○ 10단계로 구성된 흐름도를 제안하여 미생물을 이용한 생물학적 나노재료의 합성 시 고려해야 하는 사항들을 제시하였다. 10단계의 흐름도에는 나노재료의 선택, 도입 균주의 선택, 균주의 유전자 재조합, 균주 분석, 푸베이 다이어그램 분석, 배양 조건 최적화, 나노재료 특성 예비 분석, 회수 및 정제, 생물학적 나노재료의 특성 총 분석, 응용 단계들이 포함된다.
 ○ 현재까지 생물학적으로 합성된 무기 나노재료들은 촉매, 에너지 수확 및 저장, 전자기기, 항균물질, 의생명 분야의 응용에 적용되고 있다.

3. 연구성과/기대효과
 ○ 본 연구를 통해 미생물 및 박테리오파지를 이용하여 생물학적으로 합성된 146가지 무기 나노재료의 종류를 소개하였으며, 이를 이용하여 응용되고 있는 분야들을 소개하였다. 생물학적 나노재료의 온화한 합성 조건 및 생물체 유래 작용기로 인한 높은 생체적합성이이 큰 장점이 될 것으로 보인다. 생물학적 나노재료들은 추후 의료, 바이오센서, 화학물질 생산 분야에서 유용하게 사용될 수 있음을 기대한다.

 

(그림1) 51가지 주기율표 원소의 단일 및 두 가지 조합을 기반으로 미생물과 박테리오파지를 이용하여 생물학적으로 합성된 무기 나노 재료의 종류를 나타낸 지도.
미생물 및 박테리오파지를 이용하여 무기 나노재료 합성에 사용된 51가지 주기율표 원소들(수소, 탄소, 질소, 산소 제외)과 나노재료의 종류들을 지도화하였다. 흰색 상자는 현재까지 생물학적 합성이 보고되지 않았음을 표기하였으며, 붉은색 상자는 금속 및 비금속 나노재료, 파란색 상자는 금속 산화물 및 비금속 산화물 나노재료, 하늘색 상자는 금속 수산화물 나노재료, 보라색 상자는 금속 인산염 및 비금속 인산염 나노재료, 주황색 상자는 금속 탄산염 나노재료를 나타낸다. 자세한 종류들은 게재된 논문을 통해 확인 할 수 있다.

출처 : KAIST 이상엽 특훈교수

 

(그림2) Nature Reviews Chemistry 12월호 표지논문

출처 : KAIST 이상엽 특훈교수


연구 이야기

작성 : KAIST 이상엽 특훈교수

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

무기 나노재료의 산업적 응용을 위하여 다양하고 새로운 나노재료를 합성하는 연구는 물리·화학·재료분야 등에서 활발하게 수행되고 있다. 보편적으로 사용되는 무기 나노재료의 물리 및 화학적 합성법들을 친환경적 합성법으로 대체하고자 미생물과 박테이오파지를 이용한  연구들이 주목 받고 있다. 본 연구팀은 미생물과 박테리오파지를 이용하여 합성 할 수 있는 무기 나노재료의 종류를 총정리 하여 소개하였으며 생물학적 합성 원리 및 응용처들을 소개 하고자 이번 연구를 진행하게 되었다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

본 연구팀에서는 2018년 재조합 대장균을 이용한 다양한 나노재료의 생물학적 합성에 대해 세계적 학술지인 Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS)에 연구결과를 게재함으로서 연구 성과를 인정받고 있었다. 재조합 대장균을 이용하여 생물학적 방법으로 합성 가능한 나노재료의 종류를 주기율표 내 35가지 단일 또는 두가지 원소들의 조합으로 60가지로 확장 시킬 수 있었다. 또한, 수용액 상에서 화학종들의 열역학적 안정성을 나타내는 푸베이 다이어그램(pourbaix diagram) 분석을 생물학적 나노재료 합성법에 도입하여 전위와 pH를 조절하여 기존의 방법으로 생물학적 합성이 불가능했던 경우를 포함한 다양한 결정질의 나노재료도 합성 가능함을 증명하였다. 추후 다양한 무기 나노재료의 생물학적 합성을 위해서는 현재까지 보고된 생물학적 나노재료의 종류와 메커니즘을 총 정리하는 리뷰가 절실히 필요함을 인식하게 되어 본 연구를 시작하게 되었다. 또한, 생물학적으로 합성된 나노재료의 물리·화학적 특성들을 바탕으로 응용되고 있는 분야를 소개하였으며, 추후 응용처에 적용 가능한 분야들에 대한 견해도 포함하였다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

미생물과 박테리오파지를 이용하여 생물학적으로 합성된 모든 무기 나노재료의 종류를 체계적으로 정리하는데 긴 시간이 필요하였으며, 생합성 메커니즘 부분에 있어 다양한 미생물을 공부하는 과정에서 끈기가 요구되었다. 또한, 생물학적 나노재료의 응용분야 에 대한 정리를 진행하면서 생물공학과 재료공학 관련 지식을 섭렵하여 융합시키는 노력이 필요하였으며, 이 과정에서 이상엽 교수님과의 지속적인 디스커션과 조언을 통해 마무리 할 수 있었다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

기존에 보고된 생물학적 나노재료의 합성에 대한 리뷰 논문들은 재조합 미생물을 이용한 연구에 대한 정리가 자세히 이루어지지 않았던 문제점이 있었다. 최근에 본 연구팀을 비롯하여 재조합 미생물을 이용하여 생물학적으로 합성 가능한 무기 나노재료의 종류들이 확장된 사례들이 보고되었으나, 이를 반영한 생물학적 나노재료의 종류에 대한 총정리가 보고되지 않았으며, 야생형 균주와 대비하였을 경우 수율 및 종류의 다양성에 대한 장점들이 비교 되지 않았다. 본 연구에서는 현재까지 야생형 및 재조합 미생물과 박테리오파지를 이용한 생물학적 무기 나노재료의 종류는 총 146가지이며, 주기율표 내 55가지 원소를 기반으로 단일 또는 두 가지 이상의 조합을 통해 생물학적 합성이 가능함을 정리하였다. 또한, 생물학적 나노재료의 생산가능성과 나노재료의 물리 및 화학적 특성에 주요 영향을 미치는 크기, 모양, 결정성을 조절하기 위한 전략들이 제시되었으며, 10단계로 구성된 흐름도를 제시하여 미생물을 이용한 생물학적 나노재료의 합성시 고려해야 할 단계별 연구 사항들을 포함하였다. 현재까지 생물학적으로 합성된 무기 나노재료들은 촉매, 에너지 수확 및 저장, 전자기기, 항균물질, 의생명 분야의 응용에 적용되고 있다. 추후 다양한 응용처 적용을 위해 온화한 조건에서 생물학적 나노재료 합성 과정과 생물체 유래 작용기로 인한 높은 생체적합성을 장점으로 의료, 바이오센서, 화학물질 생산 분야에서 유용하게 사용될 수 있음을 기대한다.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

나노재료를 기반으로 실생활에 사용되는 전자기기 및 항균물질 등에서 아직까지 생물학적으로 합성된 나노재료를 적용하여 생산된 제품은 없는 실정이다. 미생물 및 박테리오파지를 이용하여 생물학적으로 무기 나노재료를 합성하는 경우, 생물체들로부터 합성된 무기 나노재료를 효율적으로 분리 및 정제하는 과정에 대한 연구들이 많이 보고 되지 않았다. 또한, 대량생산을 위한 발효공정 개발에 대한 연구도 많이 이루어 지고 있지 않은 실정이다. 생물학적으로 합성된 무기 나노재료들은 추후 바이오메디컬 재료, 바이오전자기기, 친환경 화학물질 생산 등에 새롭게 적용 될 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 생물학적 나노재료가 갖는 생물체에 대한 낮은 독성을 기반으로 바이오메디컬 분야에 큰 장점으로 활용될 수 있겠다. 따라서 보다 다양한 응용분야에 실용화되기 위서는 생물학적 나노재료의 효율적인 분리 및 정제 방법 개발과 대량생산을 위한 발효공정 최적화에 대한 연구들이 필요하다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?

다양하고 새로운 나노재료들을 친환경적으로 합성 할 수 있는 방법을 지속적으로 개발하고 싶다. 또한, 생물학적 방법을 통해 합성된 다양한 나노재료들을 에너지, 의료, 환경 분야 등 실제 산업적 응용에 적용할 수 있도록 기여하고 싶다. 특히 무기 나노재료와 미생물을 융합시켜 화학물질 생산을 위한 친환경 공정 개발 연구를 진행할 계획이다.