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-“자연적으로 빛나는 나무는 약 2,400년 전 아리스토텔레스에 의해 처음으로 기술돼"
- 샘플 목재는 560nm 파장의 빛을 방출하기 시작했으며 점점 녹색으로 빛났다.
- 빛은 10시간이 지나서야 비로소 완전한 영광을 드러내
- 생물발광 사용하면 에너지 절약하고 탄소 배출 줄일 수 있어

과학자들이 빛이 나오는 나무를 만들었다.
새로운 생물발광 소재가 언젠가는 가로등을 대체할 것

빛이 있으라!
재료 연구자들이 생물발광 곰팡이의 도움으로 나무를 빛나게 만드는 데 처음으로 성공했다. 생성된 하이브리드 소재는 밝은 녹색 빛을 방출한다. 팀의 보고에 따르면 미래에는 디자이너 가구와 보석에 사용되거나 지속 가능한 거리 조명으로 사용될 수 있다. 하지만 먼저 극복해야 할 몇 가지 장애물이 아직 남아 있다. 

▲ 버섯 Desarmillaria tabescens로 처리된 목재 샘플은 녹색으로 빛난다. © EMPA

목재는 수 세기 동안 우리의 가장 중요한 원자재 중 하나였다. 이미 좋은 것이지만 여전히 개선될 수 있다. 과학자들은 대자연의 도움을 받아 목재를 새로운 기능을 갖춘 진정한 첨단 소재로 바꾸기 위해 한동안 노력해 왔다. 예를 들어, 특정 곰팡이 효소는 풍화 작용으로부터 목재를 보호할 수 있으며, 탄산칼슘을 포함하면 목재를 내화성으로 만들 수도 있다.

아리스토텔레스와 빛나는 나무

이제 스위스 연방재료시험연구소(Empa)의 Francis Schwarze가 이끄는 연구원들이 자연의 도움으로 또 다른 성공을 거두었다. 그들은 최초로 발사나무*가 빛을 내는 데 성공했다. Schwarze는 “자연적으로 빛나는 나무는 약 2,400년 전 그리스 철학자 아리스토텔레스에 의해 처음으로 기술되었다”고 설명했다.
*발사나무: 주로 중앙 및 남아메리카에서 자라는 나무로, 특히 에콰도르에서 많이 재배. 연간 빠르게 성장하며, 평균적으로 5년 정도면 성숙기에 도달. 주요 특징은 매우 낮은 밀도( 0.1~0.2 g/cm³)로 대부분 나무보다 훨씬 가볍다. 상대적으로 높은 강도를 지녀 다양한 구조물과 열과 소리를 잘 차단하는 특성으로 건축 자재로도 활용.

▲ 생물발광 목재를 생산하기 위한 실험적 설정을 보여주는 개략도. a) 발사 나무 블록을 진공-압력 챔버에 함침시켜 상당량의 물을 구조에 흡수한 다음 고압멸균했다. b) D. tabescens를 배양하기 위해 3% 미세섬유화 셀룰로스(MFC)가 포함된 수성 성장 배지를 사용했다. 살아있는 균사체를 성장 배지로 옮기고 MFC 표면을 덮은 멜라닌화된 껍질 내의 술에 공기 기공이 발달했다. c) MFC에 잠긴 발사 나무 블록은 D. tabescens의 근형균과 균사체에 의해 식민지화되었다. d) 1~4개월 배양 후, 나무 블록을 꺼내어 세척하고 어둠 속에서 공기에 노출시켰다. 과도한 물이 증발함에 따라 생물발광 방출이 시간이 지남에 따라 증가했다. e) 처리되지 않은 대조군, 처리된 목재 및 비목질화 재료, 즉 투명한 PETG 큐브 또는 큐브 껍질의 생물발광 비교. 처리된 목재 블록에서 가장 강한 생물발광이 기록된 반면, PETG 큐브나 큐브 껍질에 리그닌이 없을 경우 생물발광 방출이 약했다. (출처:관련논문 Taming the Production of Bioluminescent Wood Using the White Rot Fungus Desarmillaria Tabescens/Advanced Science) First published: 12 September 2024

오늘날 우리는 이것이 썩어가는 나무를 먹고 사는 생물발광 곰팡이였다는 것을 알고 있다. 나무에 함유된 리그닌이 분해되면 천연 물질인 루시페린이 생성되며, 이는 2단계 효소 과정을 통해 자극되어 빛을 발하게 된다. 따라서 곰팡이 실로 덮인 나무는 녹색 빛을 발산한다.

실험실에서의 모방이 성공

Schwarze와 그의 팀은 이제 이 자연 과정을 인위적으로 모방하는 데 처음으로 성공했다. 이를 위해 먼저 시험 목재를 물에 담근 뒤 Ringlos Hallimash(식용버섯의 일종 ,Desarmillaria tabescens)과 함께 3개월간 재배했다. 이 기간 발사나무 샘플은 자기 무게의 8배에 달하는 수분을 흡수하고 곰팡이의 미세한 균사가 침투했다.

▲ 현미경 아래에서 빛을 내는 곰팡이 필라멘트 © Empa

3개월 후 처음으로 나무가 공기와 접촉해 나무가 다시 수분을 일부 잃었을 때, 이로 인해 4시간 후에 효소 반응이 시작되었다. 샘플의 목재는 560nm 파장의 빛을 방출하기 시작했으며 점점 녹색으로 빛났다. 그 빛은 10시간이 지나서야 비로소 완전한 영광을 드러냈다.

놀랍게도 곰팡이가 나무의 리그닌을 분해하여 빛나는 화학 물질을 생성하기는 하지만 이것이 나무의 안정성을 감소시키지는 않는다. X선 회절 분석에서 알 수 있듯이 목재에 인장 강도를 제공하는 셀룰로오스는 그대로 유지된다. 그러나 조명 디스플레이는 오래 가지 못했다. 최대 7~10일 후에 다시 꺼졌다. 수석 저자인 Giorgia Giovannini는 “우리는 앞으로 광도를 더욱 높이기 위해 실험실 매개변수를 최적화하고 있다”고 발표했다.

▲ 생물발광 목재를 생산하기 위해 D. tabescens가 포함된 3% MFC에서 목재 블록을 배양. a) 흑색화되지 않은 근류균(화살표)이 MFC와 잠긴 목재 블록을 식민지화한다. 척도 막대 = 1cm. b) MFC에 잠긴 목재 블록과 근류균과 공기 기공의 연결(화살표)을 보여주는 그림. 기질-공기 계면에서 MFC는 흑색화된 껍질(화살표)로 덮여 있다. c-h) 공초점 현미경으로 얻은 병합된 투과 및 형광 이미지. 근류균 c-e)와 근류균을 둘러싼 약 20~30µm 두께의 느슨한 네트워크를 형성하는 주변 균사 f-h)의 형광. 왼쪽 – 오른쪽: 형광, 투과율, 병합. i) D. tabescens와 함께 3개월 동안 배양하고 빛에 노출시킨 발사 목재 블록. D. tabescens의 풍부한 근형(화살표)이 발사나무 블록에 강하게 식민지화되어 있음을 주목하세요(척도 막대 = 1.5cm). j) 어두운 공기에 노출된 i)의 나무 블록은 D. tabescens에 의해 유도된 강한 생물 발광을 보여준다. 어두운 멜라닌 껍질(화살표)이 나무에서 방출되는 생물 발광을 흡수하는 것을 주목하세요(척도 막대 = 1.0cm).

▲ a) 1460cm-1에서 특징적인 리그닌 밴드의 상대 강도가 ​​감소하고 변화하는 것을 보여주는 ATR-FTIR과 1736cm-1에서 밴드의 상대 강도가 ​​감소하는 것으로 입증된 헤미셀룰로스 분획. 전체 FTIR 스펙트럼은 그림 S4, 보조 정보에 보고되어 있다. b) 1~4개월 후의 무처리 대조군과 처리 목재 블록의 XRD 패턴. 셀룰로스의 Iβ 상의 특징적인 회절 패턴을 보여주는 무처리 목재의 2D 검출기 이미지를 삽입했다.

경목으로 가구를 만들까?

목재가 더욱 밝고 영구적으로 빛나게 만들 수 있다면 다양한 분야에서 사용될 수 있을 것이다. 예를 들어 개발자는 디자이너 가구 및 보석 가공을 염두에 두고 있다. 지속 가능한 광원으로 사용하는 것도 생각할 수 있다.

▲ 상업적인 용도로 사용하려면 빛의 지속 시간과 강도를 늘려야 한다. © Empa

“우리 집과 지역사회를 밝히기 위해 생물발광을 사용하면 에너지를 절약하고 탄소 배출을 줄일 수 있다. 대체 광원은 또한 주요 도시에서 세계적인 문제인 야간 빛 공해를 줄일 것이다”고 팀은 썼다.
참고: Advanced Science, 2024; doi: 10.1002/advs.202403215)
출처: Empa

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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