-  나노-바이오 융합기술 통해 질산이온 환원 효과 증진시키는 바이오닉 입자 개발  -
-  생태계 정화 및 방사선 검출 장비 개선 연구 등 다방면 활용 가능 -

국내외 공동 연구진이 빛 에너지를 이용해 질산이온을 아질산이온으로 환원시키는 데 보다 효과적인 바이오닉 입자를 개발해 관련 연구결과를 세계적 과학전문지인 ‘네이처(Nature)’ 자매지에 발표했다.

한국원자력연구원(원장 김종경) 원자력화학연구부 박재일 선임연구원은 미국 미시간대학교 니콜라스 코토브(Nicholas A. Kotov), 샤론 글로처(Sharon C. Glotzer) 연구팀, 피츠버그대학교 페이준 장(Peijun Zhang) 연구팀과 함께 반도체 무기 나노입자인 카드뮴 텔러라이드(cadmium telluride)와 생체 세포  단백질인 사이토크롬시(cytochrome c)를 혼합한 바이오닉 입자가 빛 에너지를 이용해 질산이온을 아질산이온으로 환원시키는 효과를 증진시킨다는 것을 밝혀냈다. 이번 연구결과는 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 온라인판 5월 20일자에 게재됐다.

<박재일 선임연구원>

연구팀은 개발한 100나노미터(㎚) 크기의 바이오닉 입자가 질산이온 환원효소와 결합했을 때, 결합체가 빛의 특정 파장을 흡수해 기존보다 4배 이상의 질산이온 환원 효과를 갖는다는 사실을 확인했다.

이를 통해 생태계의 질소 순환 과정에서 질산이온의 형성을 제어함으로써 자연 생태계 정화 연구에 기여할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 질산이온은 생물의 영양분으로 활용되지만 생태계에서 과다하게 증가할 경우 부영양화로 인한 녹조 현상을 발생시키는 등 환경오염을 일으키는 원인이 되기도 한다.

연구진은 나노-바이오 융합기술을 이용해 인공 화합물인 카드뮴 텔러라이드 나노입자와 단백질의 일종인 사이토크롬시를 혼합함으로써 두 물질의 특성이 결합된 바이오닉 입자를 개발했다.

카드뮴 텔러라이드는 태양에너지를 흡수해 빛 에너지를 전기 에너지로 전환시킬 수 있는 특성을 가지고 있어 태양 전지의 소재로 활용되며, 사이토크롬시는 동식물 세포 내에서 산화-환원 반응에 관여하는 효소로 전자(e-)의 이동을 활성화하는 특성을 가지고 있다.

두 물질은 물속에서 3~4나노미터(㎚)의 나노-콜로이드 형태로 녹아 서로 끌어당기며 바이오닉 입자를 만들고, 100나노미터(㎚) 크기에서 결합을 멈춰 동일한 크기를 유지한다.

a) 3나노미터(㎚) 크기의 카드뮴 텔러라이드 나노입자(CdTe NP)와 4나노미터(㎚) 크기의 사이토크롬시(CytC) 단백질을 혼합하면 두 입자간 자기조립에 의해 100나노미터(㎚) 크기의 균일한 크기 분포를 갖는 바이오닉 입자가 형성됨.
b) 바이오닉 입자 형성 간 시간별 제타전위 변화를 나타냄. 약 8시간까지 카드뮴 텔러라이드 나노입자와 사이토크롬시 단백질이 서로 급격히 결합하다 100나노미터(㎚) 크기에서 전위가 안정화됨.
c) 바이오닉 입자의 투사전사현미경(TEM) 이미지.
d) 바이오닉 입자 형성의 시뮬레이션 이미지.   

박재일 선임연구원은 “이번 연구를 통해 개발한 바이오닉 입자는 질산이온 환원 효과를 증진시킬 뿐만 아니라, 전자(e-)의 이동을 보다 활성화시키는 특성을 이용해 기존에 사용되고 있는 방사선 검출 장비의 성능을 개선하는 연구에도 활용될 수 있을 것”이라고 밝혔다.