전기를 생성하는 박테리아가 미래 혁신을 주도할 수 있다

라이스 대학교 생명과학자 캐롤라인 아조-프랭클린이 이끄는 연구팀은 특정 박테리아가 산소를 호흡하는 대신 전자를 주변으로 보내는 자연적 과정을 통해 전기를 생성하여 호흡하는 방식을 발견했습니다. 지난달 Cell 에 발표된 이 연구 결과는 청정 에너지와 산업 생명공학 분야의 새로운 발전을 가져올 것으로 기대됩니다.

연구진은 이러한 박테리아가 외부로 전자를 방출하는 방식을 규명함으로써 이전에는 알려지지 않았던 박테리아 생명의 전략을 엿볼 수 있게 되었습니다. 생물학과 전기화학을 융합한 이 연구는 이러한 미세 유기체의 고유한 능력을 활용하는 미래 기술의 토대를 마련합니다.

"저희의 연구는 오랫동안 풀리지 않았던 과학적 미스터리를 해결할 뿐만 아니라 자연에서 새롭고 잠재적으로 널리 퍼진 생존 전략을 제시합니다."라고 라이스 합성생물학 연구소 소장이자 생명과학 교수이며, 텍사스 암예방연구소(CPRIT) 학자이기도 한 아조-프랭클린이 말했습니다.

전기 호흡에 대한 설명

대부분의 현대 생물은 산소에 의존하여 음식을 대사하고 에너지를 방출합니다. 산소는 에너지를 생성하는 일련의 반응에서 최종 전자 수용체 역할을 합니다. 그러나 인간이나 식물과 같은 현대 생물보다 훨씬 오래된 박테리아는 심해 열수구와 인간의 장 등 산소가 부족한 환경에서 다른 호흡 방식을 진화시켜 왔습니다.

연구진은 일부 박테리아가 나프토퀴논이라는 천연 화합물을 이용하여 전자를 외부 표면으로 전달한다는 사실을 발견했습니다. 세포외호흡이라고 하는 이 과정은 배터리가 전류를 방전하는 방식을 모방하여 박테리아가 산소 없이도 번성할 수 있도록 합니다.

과학자들은 오랫동안 이 특이한 호흡 방식을 관찰해 왔고, 이를 일종의 블랙박스처럼 생명공학에 활용해 왔습니다. 이제 라이스 교수가 이끄는 연구팀이 그 메커니즘을 밝혀냈습니다. 이는 세포외호흡이 이전에 생각했던 것보다 자연에서 훨씬 더 흔할 수 있음을 시사하는 획기적인 발견입니다.

라이스대 박사과정생이자 이 연구의 제1저자인 비키 바피 쿤두는 "이 새롭게 발견된 호흡 메커니즘은 그 일을 해내는 간단하고 독창적인 방법입니다."라고 말했습니다. "나프토퀴논은 분자 운반체처럼 작용하여 세포 밖으로 전자를 운반하여 박테리아가 음식을 분해하고 에너지를 생성할 수 있도록 합니다."

공기 없는 삶을 시뮬레이션하다

라이스 연구진은 캘리포니아 대학교 샌디에이고 캠퍼스의 팔슨 연구실과 협력하여 연구 결과를 검증했습니다. 고급 컴퓨터 모델링을 사용하여 산소는 없지만 전도성 표면은 풍부한 환경에서 박테리아 성장을 시뮬레이션했습니다.

시뮬레이션 결과, 박테리아가 실제로 외부에서 전자를 방출하여 스스로 생존할 수 있음이 밝혀졌습니다. 추가 실험실 실험 결과, 전도성 물질 위에 놓인 박테리아가 계속 성장하고 전기를 생성하며, 표면을 통해 효과적으로 호흡하는 것으로 확인되었습니다.

이러한 학제적 접근 방식은 박테리아 대사의 다양성에 대한 이해를 심화시켰고, 박테리아 행동을 전자적으로 모니터링하고 영향을 미치는 실시간 방법을 밝혀냈습니다.

청정 기술 및 그 외 분야의 응용 분야

이 근본적인 발견은 광범위한 실질적인 의미를 지닙니다. 폐수 처리 및 바이오 제조와 같은 생명공학 공정은 전자 불균형을 효과적으로 관리함으로써 크게 개선될 수 있습니다. 전기를 방출하는 박테리아는 이러한 불균형을 해결하여 시스템의 효율적인 작동을 유지할 수 있습니다.

아조-프랭클린은 "우리의 연구는 재생 가능한 전기를 통해 이산화탄소를 활용할 수 있는 토대를 마련합니다. 박테리아는 식물이 햇빛을 이용하여 광합성을 하는 것과 유사한 기능을 합니다."라고 말했습니다.

"생물학을 핵심으로 하는 더욱 스마트하고 지속 가능한 기술을 개발할 수 있는 문을 열어줍니다."

이 기술은 산소가 부족한 환경에서 생체전자 센서를 구현하여 의학적 진단, 오염 모니터링, 심우주 탐사를 위한 새로운 도구를 제공할 수도 있습니다.

이 연구의 공동 저자로는 UC 샌디에이고의 자얀스 크리슈난, 리차드 슈빈, 아르준 파텔, 베른하르트 팔손, 다니엘 지엘린스키가 있습니다. CPRIT와 노보 노디스크 재단의 지원을 받아 연구했습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/05/250501164008.htm