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아미노산과 펩타이드로 만든 유리는 투명하고 안정적이고 생분해 가능

화학자들이 생분해성 유리를 개발했다.
아미노산과 펩타이드로 만든 유리는 투명하고 안정적, 생분해가 가능하다.

유리가 바이오화되다:
화학자들은 투명하고 안정적이면서도 자연이나 체내에서 생분해되는 유리를 생산했다. 이것은 아미노산과 펩타이드의 화학적 변형에 의해 가능해졌다. 이를 통해 가열될 수 있고 전형적인 무정형 유리 구조로 빠르게 "급냉"될 수 있다. 무기 유리나 플렉시 유리와 달리 이 생체분자 유리는 퇴비에서 분해되며 건강에 영향을 주지 않고 신체에 의해 분해될 수도 있다고 Science Advances에 보고했다. 

▲ 생체 분자 유리는 원하는 대로 색상을 지정할 수 있으며 양자점을 추가하여 형광을 만들 수도 있다. © Xing et al./Science Advances, CC-by-nc 4.0

창유리, 선박 또는 모든 종류의 광학 렌즈:

유리는 우리의 일상생활과 기술에 없어서는 안 될 존재다. 석영 모래, 아크릴 또는 금속으로 만든 유리는 안정적이고 광학적으로 투명하며 일반적으로 화학적 영향에도 내성이 있다. 이러한 고체의 전형적인 특징은 무정형 구조다. 광물 또는 유기 원료를 녹인 다음 너무 빨리 담금질하여 물질이 결정화될 수 없도록 한다. 준액체 상태로 응고된다.

석영 모래 대신 아미노산

그러나 지금까지는 문제가 있었다. 유리는 거의 생분해되지 않기 때문에 금속 및 금속-유기 프레임워크 구조로 만들어진 첨단 유리는 환경 문제가 될 수 있다. 펩타이드 및 단백질과 같은 생체분자로 만든 유리가 도움이 될 수 있지만 이러한 분자는 내열성이 없다. 따라서 유리 생산에 필요한 가열 및 담금질이 그들에게는 효과가 없었다.

중국 과학 아카데미의 Ruirui Xing이 이끄는 팀은 이제 이 장애물을 극복했다. 그들은 유리의 전형적인 화학적, 광학적 및 기계적 특성을 갖지만, 생분해 가능한 생물학적 유리를 개발했다. 새로운 바이오글라스는 아미노산과 펩타이드를 출발물질로 하여 내열성을 향상시키기 위해 화학적으로 약간 변형시킨 것이다. 이를 위해 생체분자에 안정화 "보호기"로서 아세틸기(-C(O)CH3), 벤질옥시카르보닐기(C8H7O2) 또는 9-플루오레닐메틸옥시카르보닐기(Fmoc)를 보충했다. 

▲ 생체분자 유리의 생산 및 특성. © Xing et al./Science Advances, CC-by-nc 4.0

반투명하고 안정적인

이 화학적 변형을 통해 아미노산과 펩타이드를 변성시키지 않고 녹일 수 있다. "가열 및 냉각 속도를 정밀하게 제어함으로써 결정화를 일으키지 않고 액체를 유리로 담금질할 수 있다"고 Xing과 그의 팀이 보고했다. 그 결과 기계적 특성 면에서 광물 유리와 매우 유사한 무정형 구조의 투명한 고체가 탄생했다. 바이오글래스 중 일부는 아크릴 유리나 일부 금속 유리보다 훨씬 덜 부서지기 쉽다고 팀은 보고했다.

대부분의 생물학적 유리는 무색이며 자외선, 가시광선 및 적외선 범위의 빛에 투명하다. "우리가 개발한 유리는 최대 90%의 광학 투과율을 가지며 이는 많은 상업적 응용 분야에서 유리보다 훨씬 높다"고 과학자들은 말한다. 다른 염료를 추가함으로써 일반 유리와 마찬가지로 바이오글라스를 착색할 수 있었고 형광도 생성할 수 있었다.

퇴비, 토양 및 체내에서 분해 가능

결정적인 요인은 새로운 바이오글라스가 열적으로나 기계적으로 안정하더라도 테스트 결과에서 알 수 있듯이 자연 상태에서는 여전히 쉽고 상대적으로 완전히 분해된다는 것이다. Xing과 그의 팀은 "아세틸 아미노산으로 만든 유리가 퇴비 공장에서 3주 이내에 분해된다"고 보고했다. 벤질옥시카보닐 그룹으로 안정화된 펩타이드 유리는 토양에서 7.5개월 후에 완전히 분해되었다.

생체분자 유리는 생쥐를 대상으로 한 실험에서 알 수 있듯이 생물학적 조직에서도 쉽게 분해된다. 피부나 근육에 이식된 유리구슬은 몇 주에 걸쳐 부드러워졌다가 점점 작아지고 마침내 사라진다. 이 생화학적 분해는 어떠한 염증 반응이나 거부 반응을 일으키지 않는다는 것을 연구원들은 발견했다. 이것은 또한 예를 들어 정형외과 임플란트용 재료로 바이오글라스를 사용할 가능성을 열어준다.

보다 친환경적인 유리를 향한 발걸음

"우리의 유리 재료는 생물학적 원료로부터 환경친화적인 유리 개발을 향한 결정적인 단계를 나타낸다"며 "우리의 시험관 내 및 생체 내 실험은 이러한 생체분자 유리가 생체 적합성, 퇴비화 가능, 생분해성 및 생 재활용 가능함을 입증한다"고 Xing과 그의 동료들은 말했다. 이것은 유용한 물질과 생물학적 세계를 조화롭게 만들 수 있는 새로운 가능성을 열어준다.

연구원들은 이제 이러한 생체분자 유리를 더욱 개발하고 더 큰 규모로 제조 및 사용할 수 있도록 하기 위해 노력하고 있다. "우리의 생체분자 유리는 아직 실험실 단계에 불과하기 때문에 대규모로 상용화되기까지는 아직 갈 길이 멀다"고 수석 저자인 Xuehai Yan은 설명했다.
(Science Advances, 2023; doi: 10.1126/sciadv.add8105)
출처: Chinese Academy of Sciences

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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