나(Sara Molinari)는 다양한 기능을 가진 살아있는 세포로 만들어진 물질인 조작된 살아있는 물질을 연구하는 합성 생물학자이다. 최근에 발표된 연구에서 나는 박테리아가 다양한 용도로 변형될 수 있을 뿐만 아니라 빠르고 쉽게 생산할 수 있는 살아있는 물질을 형성하도록 프로그래밍했다.  

 

 

살아있는 세포에서 사용 가능한 재료로

 

인간 세포와 마찬가지로 박테리아에는 단백질을 만드는 지침을 제공하는 DNA가 들어 있다. 박테리아 DNA는 자연에 존재하지 않는 단백질을 포함하여 새로운 단백질을 만들도록 세포에 지시하도록 변형될 수 있다. 연구원들은 이 단백질이 세포 내 어디에 위치할지 정확하게 제어할 수도 있다.

 

 

 

조작된 생체 재료는 살아있는 세포로 만들어지기 때문에 다른 앱으로 휴대폰을 프로그래밍하는 것과 거의 유사한 다양한 기능을 수행하도록 유전적으로 조작될 수 있다. 예를 들어, 연구자들은 박테리아를 특정 분자의 존재 하에서 색을 변화시키도록 수정함으로써 환경 오염 물질에 대한 센서로 바꿀 수 있다. 연구원들은 또한 스티로폼과 살아있는 광전지를 만드는 데 사용되는 화학 물질인 석회석 입자를 만들기 위해 박테리아를 사용했다.

 

 

 

 

 

 

공학 생활 재료에 대한 주요 과제는 연구원이 점도, 탄성 및 강성과 같은 최종 재료의 물리적 특성을 제어할 수 있도록 하는 매트릭스 또는 세포 주변 물질을 생성하도록 유도하는 방법을 알아내는 것이다. 이 문제를 해결하기 위해 우리 팀과 나는 박테리아의 DNA에서 이 매트릭스를 인코딩하는 시스템을 만들었다.

 

 

 

우리는 박테리아 카울로박터 크레센투스(Caulobacter crescentus)의 DNA를 변형하여 박테리아 세포가 표면에 다량의 탄성 단백질로 구성된 매트릭스를 생성할 수 있도록 했다. 이러한 탄성 단백질은 서로 결합하여 다량의 물을 보유할 수 있는 물질 유형인 하이드로겔을 형성하는 능력이 있다.

 

 

 

두 개의 유전적으로 변형된 박테리아 세포가 근접해 있을 때, 이 단백질은 함께 모여서 세포를 서로 붙은 상태로 유지한다. 이 끈적하고 탄력 있는 물질로 각 세포를 둘러싸면 박테리아 세포가 모여서 살아있는 점액을 형성한다.

 

 

 

또한 최종 재료의 특성을 변경하기 위해 탄성 단백질을 수정할 수 있다. 예를 들어, 박테리아를 손상이 발생한 경우 자체 수리할 수 있는 단단한 건축 자재로 바꿀 수 있다. 또는 박테리아를 제품의 충전제로 사용할 수 있는 부드러운 재료로 바꿀 수 있다.

 

 

 

생활재료의 장점

 

일반적으로 다기능 재료를 만드는 것은 부분적으로 매우 비싼 처리 비용으로 인해 매우 어렵다. 반면에 살아있는 물질은 씨앗에서 자라는 나무처럼 최소한의 영양소와 에너지 요구 사항을 가진 세포에서 자란다. 생분해성과 최소한의 생산 요구 사항으로 인해 지속 가능하고 경제적인 생산이 가능하다.

 

 

 

생활 재료를 만드는 기술은 정교하지 않고 저렴합니다. 박테리아로부터 다기능, 고성능 물질을 성장시키는 데는 인큐베이터, 단백질 및 당분을 흔드는 것만으로도 충분하다. 인큐베이터는 기존의 가정용 오븐보다 훨씬 낮은 섭씨 98.6도(섭씨 98.6도)로 온도를 유지하고 블렌더보다 느린 속도로 세포를 흔드는 금속 또는 플라스틱 상자에 불과하다.

 

 

 

박테리아를 살아있는 물질로 바꾸는 것도 빠른 과정이다. 우리 팀과 나는 약 24시간 만에 박테리아 생물체를 키울 수 있었다. 이것은 생산하는 데 몇 년이 걸릴 수 있는 목재와 같은 살아있는 재료를 포함하여 다른 재료의 제조 공정에 비해 상당히 빠르다.

 

 

 

 

 

 

또한, 우리의 살아있는 박테리아 점액은 운송 및 보관이 용이하다. 병에서 최대 3주 동안 실온에서 생존할 수 있으며 다시 새 배지에 넣어 다시 자랄 수 있다. 이것은 이러한 재료를 기반으로 하는 미래 기술의 비용을 낮출 수 있다.

 

 

 

마지막으로 공학 생활 재료는 환경 친화적인 기술이다. 그들은 살아있는 세포로 만들어지기 때문에 생체 적합성 또는 무독성이며 생분해성 또는 자연 분해성이다.

 

 

 

다음 단계

 

우리의 세균성 생체 물질에는 아직 명확히 밝혀야 할 몇 가지 측면이 있다. 예를 들어, 우리는 박테리아 세포 표면의 단백질이 서로 어떻게 상호 작용하는지 또는 서로 얼마나 강하게 결합하는지 정확히 알지 못한다. 우리는 또한 세포를 함께 유지하기 위해 얼마나 많은 단백질 분자가 필요한지 정확히 알지 못한다.

 

 

 

이러한 질문에 답하면 다양한 기능에 대해 원하는 품질로 생활 재료를 추가로 사용자화할 수 있다.

 

 

 

다음으로 다양한 종류의 박테리아를 생물체로 성장시키는 방법을 탐구하여 활용 범위를 확대할 계획이다. 일부 유형의 박테리아는 다른 목적보다 더 좋다. 예를 들어, 일부 박테리아는 인체, 토양 또는 담수와 같은 특정 환경에서 가장 잘 생존한다. 반면에 일부는 다양한 온도, 산도 및 염도와 같은 다양한 외부 조건에 적응할 수 있다.

 

 

 

선택할 수 있는 많은 유형의 박테리아를 가짐으로써 연구자는 생성할 수 있는 재료를 추가로 사용자화할 수 있다.