한국과학기술원(KAIST·총장 이광형)은 이상엽 생명화학공학과 특훈교수, 박용근 물리학과 석좌교수 공동연구팀이 '3차원 홀로그래픽 현미경 기술을 통한 미생물의 바이오 플라스틱 과립 생산 특징 규명'에 성공했다고 27일 밝혔다.
이번 연구 결과는 국제 학술지인 '미국국립과학원회보(PNAS)'에 27일자 온라인 게재됐다.
미생물로부터 만들어지는 폴리에스테르인 폴리하이드록시알카노에이트(PHA)는 친환경 바이오 플라스틱으로 많은 관심을 받고 있다. 몇몇 미생물 내 '과립' 형태로 발견되는 고분자 물질로, 세포 내에 축적하게 된다. PHA가 세포 내에 축적되는 원리를 관찰하기 위해 여러 연구가 진행돼왔다.
형광 현미경, 투과전자현미경, 전자 저온 촬영 등의 기술이 이용됐는데, 이는 2차원상의 이미지만을 제시하거나 세포 그대로 상태에서 관측이 어려웠다.
KAIST 연구팀은 3차원 홀로그래픽 현미경 기술을 통해 PHA 생산 박테리아의 심층 관찰 및 정량·정성 분석 연구를 수행했다.
3차원 홀로그래픽 현미경 기술은 물질 굴절률을 활용하는 이미징 방법으로, 염색 등 준비 과정을 필요로 하지 않기 때문에 살아 있는 세포의 3차원 정보를 정량적으로 측정 가능하다.
연구팀은 PHA 일종인 PHB 생산 미생물, 쿠프리아비두스 네카토르와 이 미생물의 PHB 합성 대사회로 유전자를 가진 재조합 대장균을 이용해 비교·분석을 수행했다. 단일세포 수준에서 세포와 세포 내 과립을 3차원 시각화했다. 이를 통해 부피, 질량, 밀도, 분포 등을 정량 분석했다.
최대 약 8시간 동안의 세포와 세포 내 PHA 과립의 성장 과정을 보여주는 3차원 영상을 제작할 수 있었다. 이는 자연 상태 조건 아래 세포 내 PHA 과립 형성, 세포 분열 연계 이동을 3차원 실시간 관측한 세계 최초의 결과다.
이상엽 특훈교수는 “생물학과 물리학의 융합 연구로서 이뤄진 성과라는 데에 큰 의의가 있으며, 향후 다양한 바이오 플라스틱 생산 공정 개발에 큰 도움이 될 것”이라고 말했다.
대전=김영준기자 kyj85@etnews.com
