KAIST(총장 신성철)는 이상엽 생명화학공학과 특훈교수 연구팀이 대장균을 이용해 다양한 나노재료를 생물학적으로 합성할 수 있는 기술을 개발했다고 22일 밝혔다. 

기존의 생물학적 나노재료는 주로 높은 온도나 압력이 있어야 합성할 수 있다. 또 유독한 유기용매와 값비싼 촉매를 사용한다는 점에서 환경오염이 발생하고, 높은 에너지가 소모된다는 단점이 있었다. 

대안으로 친환경적이고 경제적인 미생물을 활용한 생물 공학적 나노재료 합성법에 대한 연구가 진행되고 있다. 그러나 현재까지 알려진 합성기술은 나노재료의 종류가 다양하지 않고 결정질과 비결정질 나노재료의 합성 원리가 규명되지 않아 다양한 결정질의 나노재료를 만드는 데 어려움이 있었다.

이에 이상엽 교수 연구팀은 유전자 재조합 대장균을 이용해 주기율표 기반의 35개 원소로 이뤄진 60가지의 다양한 나노재료를 친환경적으로 생물학적 합성하는 기술을 개발했다.

이상엽 교수팀은 다양한 금속 이온과 결합할 수 있는 단백질인 메탈로싸이오닌(metallothionein)과 펩타이드인 파이로킬레틴(phytochelatin)을 합성하는 파이오킬레틴 합성효소(phytochelatin synthase)를 대장균 안에서 동시 발현해 다양한 나노재료를 합성하는 데 성공했다.

연구팀은 각 원소별 푸베 다이어그램(pourbaix diagram)을 분석해 생물학적 나노재료의 합성 과정에서 열역학적 안정성을 갖는 화학종의 상태를 파악했다. 이를 기반으로 생물학적으로 합성 가능한 물질을 예측·생산했다. 

또한 용액의 산성도를 조절해 기존 생물학적 합성 조건에서 합성이 불가능하거나 비결정질 나노재료로 합성되는 물질도 합성이 가능하게 만들었다.

이상엽 특훈교수는 "생물공학적 방법으로 합성된 60개의 나노재료들은 나노입자, 나노막대, 나노 판상형 등의 모양을 갖는다"라면서 "향후 에너지, 의료, 환경 분야 등 다양한 산업적 응용이 가능하다"고 말했다.

이번 연구는 이상엽 KAIST 교수 팀이 박태정 중앙대 교수 팀이 공동으로 수행했으며, 최유진 KAIST 박사과정이 1저자로 참여했다.

연구는 과학기술정보통신부 기후변화대응사업의 '바이오리파이너리를 위한 시스템대사공학 연구과제'의 지원을 받았다. 연구 결과는 국제 학술지 '미국 국립과학원 회보(PNAS)' 22일자 온라인 판에 게재됐다.