미생물과 박테리아를 잡아먹는 바이러스인 박테리오파지로 100nm(나노미터·1nm는 10억분의 1m)보다 작은 나노재료를 합성할 수 있을까.

이상엽 KAIST 생명화학공학과 특훈교수가 이끄는 연구팀이 미생물과 박테리오파지를 이용해 친환경적인 방법으로 무기 나노재료를 합성하는 방식과 그 종류를 총망라해 ‘네이처 리뷰 케미스트리’ 12월호 표지논문으로 발표했다고 4일 밝혔다.

그간 무기 나노재료는 금속 원소에 화학물질인 환원제를 이용해 고온·고압에서 반응을 일으켜 만드는 등 물리·화학적 방식으로 제작돼 유독성 유기용매 사용 등에 의한 환경오염이 문제로 지적돼왔다. 또 이렇게 제작된 무기 나노재료의 에너지 효율과 경제성도 떨어졌다.

이 특훈교수팀은 이런 문제를 해결하기 위해 미생물을 유전적으로 조작해 미생물이 금속 이온을 해독하는 과정에서 나노재료를 합성하는 방법을 개발하는 데 성공했다. 이 특훈교수팀 외에 해외 연구팀도 이와 유사한 연구결과를 학계에 여럿 보고했다. 하지만 이렇게 만들어진 무기 나노재료의 종류와 특징에 대한 총정리는 이뤄지지 않았다.

이 특훈교수팀은 학계에 보고된 생물학적으로 합성한 무기 나노재료를 전수 조사한 결과 지금까지 총 146종이 합성됐음을 확인했다. 또 이들이 주기율표에서 55개 원소를 하나 또는 두 개 이상 조합해 만들어졌다는 사실도 알아냈다.

여기에 사용된 미생물은 박테리아, 곰팡이, 조류(藻類)와 박테리오파지가 대다수였다. 특히 효소, 비효소 단백질, 펩타이드, 전자수송경로 등의 인자들이 생물체 내에서 금속과 비금속 이온을 환원시켜 무기 나노재료로 변환하는 데 중요한 역할을 한다는 사실이 확인됐다.

이 특훈교수팀은 이런 분석 결과를 토대로 미생물을 이용해 생물학적 나노재료를 합성하는 10단계 흐름도를 처음 제시했다. 여기에는 나노재료 선택부터 균주 선택, 균주의 유전자 재조합, 균주 조합부터 나노재료 특성 예비 분석, 회수 및 정제, 응용 단계까지 총망라됐다.

이 특훈교수는 “현재 생물학적으로 합성된 무기 나노재료는 촉매, 에너지 수확 및 저장, 항균물질, 의생명분야에 적용되고 있다”며 “향후 바이오 의료 분야 재료와 바이오 전자기기, 친환경 화학물질 생산 등에도 새롭게 적용될 수 있을 것”이라고 밝혔다.

[이현경 기자 uneasy75@donga.com]