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전기 전도성을 가진 박테리아의 새로운 비밀

<KISTI의 과학향기> 제3340호

미국 버지니아 대학 의과대학(University of Virginia School of Medicine), 예일 대학(Yale University), 캘리포니아 대학(University of California)의 연구진은 토양과 퇴적물에서 존재하는 박테리아가 전기를 어떻게 전도하는지에 대한 새로운 연구결과를 발표했다. 이 박테리아는 자연에서는 결코 볼 수 없는 생물학적 구조를 가지고 있었다. 이 구조는 전자장치를 최적화하고 매우 작은 배터리와 와이어 없는 심장 박동기를 제조하는데 적용될 수 있을 것이다.
 
과학자들은 지오박터 설퍼레두신스(Geobacter sulfurreducens)가 선모(pili)라고 불리는 머리카락 같은 부속물을 통해서 전기를 전달한다고 알고 있었다. 그러나 이번 연구진은 이것이 아니라 완벽하게 정렬된 단백질 섬유를 통해서 전기를 전달한다는 것을 밝혀내었다.
 
이런 단백질들은 금속을 함유하는 분자 코어로 둘러싸고 있다. 이런 단백질 나노와이어는 사람의 머리카락 폭보다 10만 배 더 작다.
 
지오박터(Geobacter) 박테리아는 미네랄 회전율을 높이고 방사성 폐기물을 청소하는 것 등과 같이 토양에서 중요한 역할을 한다. 그들은 산소가 없는 환경에서 생존하고 과잉 전자를 제거하기 위해서 나노와이어로 형성된다.
 
저온 전자 현미경의 해상도가 높아진 약 5년 전부터 나노와이어를 본격적으로 조사할 수 있게 되었다. 이것은 원자 수준에서 이러한 단백질 필라멘트 나노와이어 구조를 실제로 이해할 수 있게 했다.
 
이 연구는 매우 작은 크기의 생체 구조를 이해하게 함으로써 자연계 전체에 대한 새로운 통찰력과 유용한 아이디어를 얻을 수 있게 한다. 한 가지 예로 거미줄을 들 수 있다. 거미줄은 이번에 조사된 나노와이어와 같이 단백질로 만들어졌지만 강철보다 강하다. 이런 생체 물질과 유사한 물질을 만들 수 있다면 새로운 분야의 발전에 크게 기여할 수 있을 것이다.
 
이번 연구는 생물 에너지를 이용하는 것부터 오염 제거, 생물학적 센서 제조까지 다양한 분야에 매우 유용하게 적용될 수 있을 것이다. 또한 박테리아로 전자장치의 소형화를 이끌어낼 수 있을 것이다. 이 연구결과는 저널 Cell에 “Structure of Microbial Nanowires Reveals Stacked Hemes that Transport Electrons over Micrometers” 라는 제목으로 게재되었다(DOI:https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.03.029).

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