a)바이오닉 입자에 질산이온 환원효소를 결합해 빛을 조사하면 전자 이송 과정을 통해 질산이온 환원 효율이 4배 증대한 모식도 b) 질산이온 환원효과 : 빛을 조사한 바이오닉 입자-효소 결합체(붉은색 선), 빛을 조사하지 않은 바이오닉 입자-효소 결합체(파란색 선)와 효소 단일체(녹색 선), 빛을 조사한 카드뮴 텔러라이드 나노입자(검정색 선) 및 사이토크롬시 단백질(보라색 선).<사진=한국원자력연구원 제공>
국내외 공동 연구진이 빛 에너지를 이용해 질산이온을 아질산이온으로 환원시키는데 보다 효과적인 바이오닉 입자를 개발해 그 결과를 세계적 과학전문지인 '네이처(Nature)' 자매지인 네이처커뮤니케이션즈에 발표했다.
이 연구는 박재일 한국원자력연구원(원장 김종경) 선임연구원, 니콜라스 코토브(Nicholas A. Kotov), 샤론 글로처(Sharon C. Glotzer) 미국 미시간대학교 연구팀, 페이준 장(Peijun Zhang) 피츠버그대학교 연구팀이 함께 참여했다.
박재일 한국원자력연구원 원자력화학연구부 선임연구원 <사진=한국원자력연구원 제공> 공동 연구팀은 반도체 무기 나노입자인 카드뮴 텔러라이드(Cadmium telluride)와 생체 세포 단백질인 사이토크롬시(Cytochrome c)를 혼합한 바이오닉 입자가 질산이온의 환원 효과를 증진시킨다는 것을 알아냈다. 이 입자는 빛의 특정 파장을 흡수해 기존보다 4배 이상의 질산이온 환원 효과를 갖는다.
연구팀은 이를 통해 생태계의 질소순환 과정에서 질산이온의 형성을 제어함으로써 자연 생태계 정화 연구에 기여할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
질산이온은 생물의 영양분으로 활용되지만 생태계에서 과다하게 증가할 경우 부영양화로 인한 녹조 현상을 발생시키는 등 환경오염을 일으키는 원인이 되기 때문이다.
바이오닉 입자가 포함한 카드뮴 텔러라이드는 태양에너지를 흡수해 빛 에너지를 전기 에너지로 전환시킬 수 있는 특성을 가지고 있어 태양 전지의 소재로 활용된다. 사이토크롬시는 동식물 세포 내에서 산화-환원 반응에 관여하는 효소로 전자(e-)의 이동을 활성화하는 특성을 가지고 있다.
박재일 선임연구원은 "질산이온 환원 효과와 전자(e-)의 이동의 특성을 이용해 기존에 사용되고 있는 방사선 검출 장비의 성능을 개선하는 연구에도 활용될 수 있을 것"이라고 말했다.
이번 연구결과는 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)' 온라인판 5월 20일자에 게재됐다.
a) 3나노미터(㎚) 크기의 카드뮴 텔러라이드 나노입자(CdTe NP)와 4나노미터(㎚) 크기의 사이토크롬시(CytC) 단백질을 혼합하면 두 입자간 자기조립에 의해 100나노미터(㎚) 크기의 균일한 크기 분포를 갖는 바이오닉 입자가 형성됨. b) 바이오닉 입자 형성 간 시간별 제타전위 변화를 나타냄. 약 8시간까지 카드뮴 텔러라이드 나노입자와 사이토크롬시 단백질이 서로 급격히 결합하다 100나노미터(㎚) 크기에서 전위가 안정화됨. c) 바이오닉 입자의 투사전사현미경(TEM) 이미지. d) 바이오닉 입자 형성의 시뮬레이션 이미지. <사진 =한국원자력연구원 제공>
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