생명화학공학과 이상엽 특훈교수, 물리학과 박용근 석좌교수 공동 연구
3차원 홀로그래픽 현미경 기술 이용, 바이오 플라스틱 축적 과정 분석
다양한 생분해성 바이오 플라스틱 생산 공정 개발 탄력
PHA 생산 미생물의 3차원 광 회절 단층 촬영 과정 *재판매 및 DB 금지
[대전=뉴시스] 김양수 기자 = KAIST는 생명화학공학과 이상엽 특훈교수와 물리학과 박용근 석좌교수가 3차원 홀로그래픽 현미경 기술을 통해 미생물의 바이오 플라스틱 과립 생산 특징을 규명했다고 27일 밝혔다.
미생물로부터 만들어지는 폴리에스테르인 폴리하이드록시알카노에이트(PHA)는 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌과 같은 범용 플라스틱과 유사한 물성을 갖고 있어 용기 포장재, 비닐, 일회용품 등 다양한 활용이 가능하며 토양이나 해양 환경에서 생분해가 가능한 고분자라는 매우 중요한 장점이 있다.
기존 합성 플라스틱을 대체할 친환경 바이오 플라스틱으로 많은 관심을 받고 있는 PHA는 몇몇 미생물 내에 불용성의 과립 형태로 발견되며 현재 세포 내에 축적되는 원리를 관찰키 위한 여러 연구가 진행 중이다.
하지만 기존 형광현미경, 투과전자현미경, 전자저온촬영 등의 기술은 2차원상의 이미지만을 제시하거나 형광물질과 같은 별도의 표식이나 세포의 고정·절편 제작과정이 필요해 세포상태에서 관측이 어려워 PHA 과립형성에 대한 완전한 해석이 불가능했다.
이에 따라 KAIST 공동연구팀은 3차원 홀로그래픽 현미경 기술을 활용해 PHA 생산 박테리아의 심층 관찰 및 정량·정성분석 연구를 수행했다.
3차원 홀로그래픽 현미경 기술은 물질의 굴절률을 활용하는 이미징 방법으로, 염색 등 준비과정을 필요로 하지 않기 때문에 살아 있는 세포 그대로의 3차원 정보를 정량적으로 측정할 수 있다.
공동연구팀은 PHA의 한 종류인 PHB 생산 미생물로 잘 알려진 쿠프리아비두스 네카토르와 이 미생물의 PHB 합성 대사회로 유전자를 가진 재조합 대장균을 비교·분석했다.
연구팀은 재구성된 세포의 3차원 굴절률 분포로 단일세포 수준에서 세포와 세포 내 과립의 3차원 시각화 및 이를 통한 부피, 질량, 밀도, 분포 등에 대한 정량분석에 성공했다.
또 수백 개의 단일 세포들과 세포 내의 PHA 과립에 대한 정량과 통계분석을 통해 두 미생물에서 PHA 과립형성의 차이점을 도출해 냈다.
특히 단일세포 내의 PHA 과립밀도의 개념을 새롭게 제시하고 두 미생물에서 PHA 과립의 밀도 차이 및 세포 내 분포형태, 위치에 대한 특이적인 차이를 발견했다.
이어 두 미생물의 PHA 과립형성의 차이를 나타내는 핵심 단백질을 규명해 재조합 대장균의 PHA 과립형성의 양상을 쿠프리아비두스 네카토르와 유사하게 변화시켰다.
이와 함께 실시간 모니터링을 통해 최대 약 8시간 동안 세포와 세포 내 PHA 과립의 성장과정을 담은 3차원 영상을 제작하는데 성공했다. 이는 미생물이 살아있는 상태에서 별도의 처리과정없이 자연상태의 세포 내 PHA 과립형성, 세포분열과 연계된 이동을 3차원 실시간으로 관측한 세계 최초의 성과다.
이번 연구 결과는 국제 학술지인 ‘미국국립과학원회보(PNAS)' 온라인판에 27일 게재됐다. 논문명 Three-dimensional label-free visualization and quantification of polyhydroxyalkanoates in individual bacterial cell in its native state
KAIST 이상엽 특훈교수는 "이번 연구를 통해 미생물의 PHA 생산원리에 대해 더 깊은 이해가 가능해졌다"며 "이는 생물학과 물리학의 융합 연구로 이룬 성과로 향후 다양한 바이오 플라스틱 생산공정 개발에 큰 도움이 될 것"이라고 말했다.
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