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' 논문이 발표됐다.

현 무기 나노재료의 문제점

현재 생물학적으로 합성된 무기 나노재료들은 촉매, 에너지 수확 및 저장, 전자기기, 항균물질, 의생명 분야의 응용에 적용됐다.

일반적인 무기 나노재료들은 물리·화학적 합성법들에 의해 얻어지며, 금속 원소에 화학물질의 환원제를 사용해 고온·고압의 조건에서 반응이 이루어진다. 유독한 유기용매 및 고액의 촉매를 필요로 하여 환경오염의 문제와 더불어 에너지 효율과 경제성이 떨어진다는 문제점이 있다.

이에 나노재료의 친환경적이고 경제적인 대안으로 생물체의 금속 이온에 대한 생물학적 해독(detoxification) 기작 특성을 이용해 온화한 조건에서 이루어지는 나노재료의 생물학적 합성에 대한 연구들이 주목받고 있다.

이상엽 특훈교수 연구팀, 최신 연구 내용과 흐름 한눈에 정리

KAIST 생명화학공학과 이상엽 특훈교수 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 생물학적 나노재료의 합성 시 고려해야 하는 사항을 정리한 10단계의 흐름도를 제시했다.

생물학적 나노재료의 다양한 응용 기대

이번 연구는 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.

이상엽 특훈교수는 "생물학적 나노재료들이 추후 바이오 의료 분야의 재료, 바이오 전자기기, 친환경 화학물질 생산 등에 새롭게 적용될 수 있을 것ˮ이라고 기대감을 내비쳤다.

이번 연구는 미생물 및 박테리오파지를 이용해 생물학적으로 합성된 146가지 무기 나노재료의 종류를 소개했으며, 이를 이용해 응용되고 있는 분야들을 소개했다는 데 의의가 있다.

생물학적 나노재료의 온화한 합성 조건과 생물체 유래 작용기로 인한 높은 생체적합성이 큰 장점이 될 것으로 보인다.

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, 화학물질 생산 등의 분야에서 폭넓게 적용될 수 있을 것으로 기대된다.