건강 모니터링에 혁명을 일으킬 수 있는 지속 가능한 미생물 나노와이어로 제작된 전자 코'

저널에 자세히 설명된 이러한 혁신을 이루기 위해 바이오센서 및 생체전기, 선임 저자인 UMass Amherst의 미생물학 특훈 교수인 Derek Lovley와 UMass Amherst 공과대학의 전기 및 컴퓨터 공학 교수인 Jun Yao는 자신의 코만 바라보면 되었습니다. '인간의 코에는 각각 하나의 특정 분자에 민감한 수백 개의 수용체가 있습니다'라고 Yao는 말합니다. '이들은 엔지니어링할 수 있는 어떤 기계적 또는 화학적 장치보다 훨씬 더 민감하고 효율적입니다. 우리는 합성 재료에 의존하지 않고 생물학적 설계 자체를 어떻게 활용할 수 있는지 궁금했습니다.'

즉, 연구팀은 자연과 협력하여 질병의 냄새를 맡을 수 있는지 궁금해했으며 실제로 그렇게 한 것으로 나타났습니다.

대답은 다음과 같은 박테리아로 시작됩니다. 지오박터 유황 감소이는 Lovley와 Yao가 이전에 땀에서 장기간 지속적으로 전기를 생산할 수 있는 생물막을 만드는 데 사용했던 것입니다. G. 유황 감소'는 작은 전기 전도성 나노와이어를 성장시키는 놀라운 자연적 능력을 가지고 있습니다.

하지만 G. 유황 감소 성장하려면 특정 조건이 필요한 까다로운 박테리아이므로 대규모로 사용하기가 어렵습니다. Lovley는 '우리가 한 일은 필린(pilin)이라고 불리는 '나노와이어 유전자'를 제거한 것'이라고 말했습니다. G. 유황 감소 그리고 그것을 DNA에 연결해 보세요. 대장균, 세계에서 가장 널리 퍼진 박테리아 중 하나입니다.'

필린 유전자가 제거되면 G. 유황 감소, Lovley, Yao 및 팀은 신장 질환 환자의 호흡에 종종 존재하는 암모니아에 매우 민감한 DLESFL로 알려진 특정 펩타이드를 포함하도록 이를 수정했습니다. 그런 다음 변형된 필린 유전자를 대장균의 DNA, 유전적으로 변형된 박테리아는 암모니아 감지 펩타이드로 가득 찬 작은 나노와이어를 돋아냈습니다. 그런 다음 팀은 암모니아에 민감한 나노와이어를 수확하여 센서에 내장했습니다.

나노와이어를 유전적으로 변형하면 원래보다 암모니아에 100배 더 반응하게 되었습니다'라고 논문의 공동 저자이자 UMass Amherst의 미생물학 박사후 연구원인 Yassir Lekbach는 말했습니다. '미생물로 생산된 나노와이어는 이전에 설명한 전통적인 실리콘 또는 금속 나노와이어로 제작된 센서보다 센서로서 훨씬 더 잘 기능합니다.\

그리고 이러한 새로운 센서를 암모니아와 신장 질환에만 제한할 필요는 없습니다. 논문의 다른 공동 저자이자 UMass Amherst의 미생물학 연구 교수인 Toshiyuki Ueki는 '각각 관심 분자에 특이적으로 결합하는 고유한 펩타이드를 설계하는 것이 가능합니다. 따라서 더 많은 추적 분자가 방출됨에 따라 신체의 특정 질병에 특정한 것이 식별되면 우리는 수백 가지의 다양한 화학물질 탐지 나노와이어를 통합하여 모든 종류의 건강 상태를 모니터링하는 센서를 만들 수 있습니다.'

전기공학의 새로운 패러다임

실리콘이나 탄소 섬유로 만들어진 전통적인 나노와이어는 독성이 매우 강할 수 있습니다. 탄소 나노튜브 자체는 발암 물질이며 결국에는 생분해되지 않는 전자 폐기물이 됩니다. 원자재를 수확하고 가공하는 데 엄청난 양의 에너지와 화학적 투입이 필요할 뿐만 아니라 환경에 심각한 영향을 미칠 수도 있습니다. 그러나 Lovley와 Yao의 나노와이어는 일반 박테리아에서 자라기 때문에 훨씬 더 지속 가능합니다.

Yao는 '이 연구 분야에서 가장 흥미로운 점 중 하나는 전기 공학을 근본적으로 새로운 방향으로 끌고 가고 있다는 것입니다. 생분해되지 않는 희소한 원자재로 만든 전선 대신에 이러한 단백질 나노와이어의 장점은 생명의 유전적 설계를 사용하여 안정적이고 다재다능하며 영향이 적고 비용 효율적인 플랫폼을 구축할 수 있다는 것입니다.'

이 연구는 국립과학재단(National Science Foundation)의 지원을 받고 UMass Amherst의 응용생명과학연구소(IALS)에서 육성되었습니다. IALS는 29개 부서의 심층적이고 학제적인 전문 지식을 결합하여 근본적인 연구를 인간의 건강과 복지에 도움이 되는 혁신으로 전환합니다.