효율적인 태양에너지를 위한 주변세포질 생합성 잠재력 탐구

2023년 7월 28일

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작성자: Li Yuan, 중국과학원

중국과학원(CAS) 산하 SIAT(심천첨단기술연구소)와 시카고대학교 연구진은 효율적인 태양열 구동 화학 생산을 위해 그람 음성 박테리아의 주변세포질 공간 내에서 반도체 나노클러스터 침전을 발견했습니다. 이번 연구 결과는 사이언스 어드밴스(Science Advances) 7월 21일자에 게재되었습니다.

생물학적 세포와 조직 주위에 무기 물질이 침착되는 과정인 생광물화는 복합 재료의 형성을 유도합니다. 박테리아는 주변 환경에서 금속 이온을 추출하고 기능성 물질을 생산하는 능력을 가지고 있습니다.

내부 세포질막과 박테리아의 외부 막 사이의 겔 같은 매트릭스인 주변세포질 공간은 제한된 환경 내에서 나노물질을 합성하고 활용할 수 있는 독특한 기회를 제공합니다.

풍부한 효소와 펩티도글리칸을 특징으로 하는 그람 음성 박테리아의 주변세포질 공간은 생체광물화를 위한 비옥한 토양을 제공합니다. 또한, 그람 음성균은 주변세포질과 밀접하게 연결된 전자 전달 사슬을 가지고 있어, 세포 내 환원력 재생을 위해 반도체에서 전자 전달 사슬로 빛에 유도된 전자의 전달을 촉진합니다. 현장에서 생산된 결함이 풍부한 반도체 나노클러스터는 빛 조건에서 아데노신 삼인산(ATP) 수준을 높이고 말산염 생산을 향상시킬 수 있습니다.

또한 중금속 함량 감소, 살아있는 생물반응기 제작, 반인공 광합성 시스템 구축 등 주변세포질 생합성의 지속가능성을 확장했다. 생체광물화의 힘을 활용함으로써 주변세포질 생합성은 다양한 지속 가능한 응용을 위한 플랫폼으로서 엄청난 잠재력을 보여주었습니다.

이번 연구의 공동 저자인 Gao Xiang 교수는 “우리는 주변 세포질 생합성이 태양열 구동 생체 촉매 작용 및 지속 가능성을 위한 귀중한 반인공 광합성 기반 모델 역할을 할 수 있다고 믿습니다.”라고 말했습니다.

반도체 생합성은 적응성이 뛰어나 생체 적합성을 제어하고 박테리아 성분과 효율적으로 결합하여 대사 과정에서 전자 공급원 역할을 합니다. 주변세포질 내에서 금속 나노입자의 합성이 보고되었지만, 이 공간에서 반도체 기반 생물학적 인터페이스에 대한 연구는 특히 생물 조절 및 다단계 지속 가능성 측면에서 드물다.

연구팀은 대장균(그람 음성 박테리아의 모델 유기체)의 주변세포질과 미생물 바이오하이브리드에서 반도체 생물광물화를 위한 비유전적 접근법을 개발했습니다. 반도체 나노클러스터는 감소된 결정성을 나타냈고 주변세포질 펩티도글리칸 매트릭스에 의해 안정화되어 박테리아 세포와 더 부드러운 인터페이스를 제공했습니다. 그들은 물질의 기본 메커니즘과 생물학적 특성을 조사하고 반도체 나노클러스터(예: CdS)가 H2S 생성 경로에 의해 매개된다는 것을 발견했습니다.

이번 발견은 환경 개선, 살아있는 생물반응기 제조, 생물생산과 지속가능성을 위한 반인공 광합성에 적용될 수 있는 반도체 기반 바이오하이브리드를 구축할 수 있는 가능성이 있는 박테리아 주변세포질 공간의 미탐색 특성을 강조합니다.

태양열 기반 화학 생산을 위해 연구팀이 개발한 주변세포질 생광물화 형성 반도체-박테리아 바이오하이브리드 플랫폼은 잠재적으로 다른 박테리아나 세포로 확장되어 추가적인 지속 가능성으로 생물학적 정화 응용을 강화할 수 있습니다.