물리학과 박용근 석좌교수 공동연구팀이 ‘3차원 홀로그래픽 현미경 기술을 통한 미생물의 바이오 플라스틱 과립 생산 특징 규명’에 성공했다. 이번 연구 결과는 국제 학술지인 '미국국립과학원회보(PNAS)' 27일자 온라인 판에 게재됐습니다.

전 세계적으로 폐플라스틱으로 인한 환경오염 및 생태계 파괴, 미세 플라스틱의 인류 보건 위협 등의 문제가 심각해짐에 따라 다양한 규제·대안 기술들이 연구되고 있습니다.

이 중 미생물로부터 만들어지는 폴리에스테르인 폴리하이드록시알카노에이트 (polyhydroxyalkanoate, PHA)가 기존 합성 플라스틱을 대체할 친환경 바이오 플라스틱으로 많은 관심을 받고 있습니다.

PHA는 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌과 같은 범용 플라스틱과 유사한 물성을 가지고 있어 용기 포장재, 비닐, 일회용품 등의 다양한 활용이 가능하며 토양이나 해양 환경에서 생분해가 가능한 고분자라는 가장 중요한 장점을 갖고 있습니다.

PHA는 몇몇 미생물 내에 불용성의 과립(granule) 형태로 발견되는 고분자 물질로, 미생물이 환경 변화·세포 상태에 따라 탄소원, 에너지원으로 세포 내에 축적하게 되며 PHA가 세포 내에 축적되는 원리를 관찰하기 위해 여러 연구가 진행돼왔습니다.

형광 현미경, 투과전자현미경, 전자 저온 촬영 등의 기술이 이용됐는데 이는 2차원상의 이미지만을 제시하거나 형광 물질과 같은 별도의 표식이나 세포의 고정 ·절편 제작 과정이 있어야 해 세포 원래 그대로의 상태에서의 관측이 어려웠습니다.

따라서 기술적 한계로 인해 세포 내에서 PHA 과립 형성에 대한 완전한 이해가 어려웠고 관측 결과에 기반을 둔 여러 형성 메커니즘 모델만이 제안돼왔습니다.

이에 KAIST 이상엽 특훈교수와 박용근 석좌교수 공동연구팀은 최근 떠오르고 있는 3차원 홀로그래픽 현미경 기술을 통해 PHA 생산 박테리아의 심층 관찰·정량/정성 분석 연구를 수행했습니다.

연구팀은 PHA의 한 종류인 PHB 생산 미생물로 잘 알려진 쿠프리아비두스 네카토르(Cupriavidus necator)와 이 미생물의 PHB 합성 대사회로 유전자를 가진 재조합 대장균을 이용해 비교·분석을 수행했습니다.

연구팀은 재구성된 세포의 3차원 굴절률 분포로 단일세포 수준에서 세포와 세포 내 과립의 3차원 시각화과 이를 통한 부피, 질량, 밀도, 분포 등의 정량 분석에 성공했습니다.

PHA 생산 미생물의 3차원 광 회절 단층 촬영 과정의 모식도.

수백 개 단일 세포들과 세포 내의 PHA 과립에 대한 정량과 이의 통계 분석을 통해 두 미생물에서의 PHA 과립 형성의 차이점을 도출해냈습니다.

특히 단일세포 내 PHA 과립의 밀도의 개념을 새롭게 제시했으며 두 미생물에서의 PHA 과립의 밀도의 차이·세포 내 분포 형태·위치에 대한 특이적인 차이를 발견했습니다.

아울러 두 미생물의 PHA 과립 형성의 차이를 나타내게 하는 핵심 단백질을 규명, 재조합 대장균의 PHA 과립 형성의 양상을 쿠프리아비두스 네카토르와 유사하게 변화시킬 수 있었습니다.

이와 함께 실시간 모니터링을 통해 최대 약 8시간 동안의 세포와 세포 내 PHA 과립의 성장 과정을 보여주는 3차원 영상을 제작할 수 있었습니다.

이는 미생물이 살아있는 상태에서 별도의 처리 과정이 없는 자연 상태 조건 하에, 세포 내 PHA 과립의 형성과 세포 분열과 연계된 이동을 3차원에서 실시간으로 관측한 세계 최초의 결과라는 데 큰 의의가 있다.