(읽기 3분)
복합적이고 기능적인 바이오 하이브리드 물질이 처음으로 개발 테스트 마쳐.
가능한 적용은 미생물 바이오 센서, 생물 반응기 및 연료전지 시스템을 넘어설 수 있어.

배터리로서의 박테리아
바이오 하이브리드 시스템으로 전기 미생물을 전기 공급원으로 전환

미래에는 휴대폰, 센서 등의 전기가 미생물 배터리(전기 방출 박테리아로 채워진 나노 복합 재료)에서 나올 수 있다. 연구원들은 최근 이러한 바이오 배터리를 개발해 테스트를 마쳤다. 전자 공급자는 박테리아 ‘Shewanella oneidensis’로, 금속을 화학적으로 환원시켜 전자를 외부로 방출한다.

▲ Shewanella oneidensis 종의 박테리아는 전자를 방출해 전기를 생산한다.   © Gross et al./PLoS Biology, doi : 10.1371 / journal.pbio.0040282,

일부 박테리아는 전기를 생산할 수 있는 것으로 오랫동안 알려져 왔다.
이러한 외분비 미생물은 심지어 우리의 장에도 산다. 그들은 주로 혐기성 환경에 살고 있기 때문에 신진대사 반응 중에 방출되는 전자를 위한 리시버로 산소 대신 금속이나 특수 유기 수송체를 사용한다. 이러한 미생물 중 일부는 전기 전도성 단백질 네트워크를 생성하기도 한다.

발전기로서 "금속을 먹는" 미생물

연구원들은 오랫동안 이러한 전기 미생물을 생물학적 전기 생산자로서 실제로 사용하는 방법을 찾고 있었다. Karlsruhe Institute of Technology (KIT)의 Yong Hu와 동료들은 최근 이를 수행할 방법을 찾았다. 그들은 외기 전기 박테리아가 잘 자라면서 동시에 이들 미생물에 의해 생성된 전기를 전극으로 효과적으로 전도할 수 있는 물질을 개발했다.

이 새로운 바이오 배터리의 주요 플레이어는 Shewanella oneidensis 종의 혐기성 박테리아다. 뉴욕의 오네이다 호수(Lake Oneida)의 진흙에서 처음 분리된 이 미생물들은 다양한 중금속 화합물을 철, 납, 우라늄, 수은 및 은을 포함한 원소 금속으로 변환 할 수 있다.
그들은 그들의 가느다란 세포 부위를 통해 이들 금속에 전자를 공급한다.

박테리아 "주거지"로서의 바이오 하이브리드 매트릭스

새로운 바이오 하이브리드 구조는 이제 이러한 전자 박테리아에 적합한 성장 환경을 제공하고 동시에 생성된 전력을 전달한다. 구체적으로, 이 물질은 나노 구조, 생체 분자 및 액체 영양액의 복잡한 조합으로 구성된다. Hus의 동료 Christof Niemeyer는 “우리는 탄소 나노 튜브와 실리카 나노 입자로 구성된 다공성 하이드로 겔을 만들었다. 이것들은 DNA 가닥으로 함께 짜여져 있다” 고 설명했다.

연구자들은 이 매트릭스에 박테리아를 접종하고 그들이 정착하여 증식한 것을 관찰할 수 있었다. KIT의 공동저자 요하네스 게셔(Johannes Gescher)는 “전도성 물질에서 Shewanella oneidensis의 배양은 엑소일렉트로젠(exoelectrogenic 전자를 외부로 전달 할 수 있는 미생물) 박테리아가 프레임 워크를 식민지화하는 반면 대장균과 같은 다른 박테리아는 매트릭스 표면에만 남아 있음을 보여 준다.

▲ 박테리아(녹색)는 탄소 나노 튜브(회색), 실리카 나노 입자(보라색) 및 DNA (파란색)의 매트릭스에 내장돼 있다. © Niemeyer-Lab/ KIT

측정 가능한 전류 흐름

이 뿐만 아니라 혁신적인 바이오 하이브리드 배터리도 전기를 생산했다.
연구원들은 “쉬와넬라-함유 복합체는 전기 화학적 활성을 보여 주었으며, 이는 이 매트릭스가 박테리아에 의해 생성된 대사전자를 추출해 양극으로 운반 할 수 있음을 나타낸다”고 말했다. 박테리아가 전도성 합성 매트릭스를 서식처로 만들수록 전자 흐름이 증가한다.

과학자들은 DNA-절단 효소를 매트릭스에 첨가하면 전류 흐름이 중단되었다.
유전 물질의 절단된 가닥이 ​​내부의 도체 트랙을 방해하고 이로써 전자가 더이상 흐를 수 없었기 때문이다.

Niemeyer는 “우리가 알기로는 이러한 복합적이고 기능적인 바이오 하이브리드 물질이 처음으로 기술 되었다”고 말했다. “전체적으로, 결과는 이러한 물질의 가능한 적용이 미생물 바이오 센서, 생물 반응기 및 연료 전지 시스템을 넘어설 수 있음을 나타낸다"고 말했다.

출처 : Karlsruhe Institute of Technology(KIT)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

[저작권자ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지]