탄소 나노튜브가 결합된 바이오닉 식물 :: 전체

식물은 다양한 기능을 가지고 있다. 식량 및 연료의 공급원이 되며, 숨을 쉴 때 필요한 산소를 만들어낸다. 또한 우리 주위를 아름답게 꾸미는 데 활용되기도 한다. 최근 MIT 연구진이 나노물질을 이용하여 식물을 더 유용하게 할 수 있는 새로운 기술을 개발했다. 연구진은 대기환경 오염 모니터링이라는 완전히 새로운 기능을 식물에게 부여할 수 있게 되었다.

이 연구결과는 저널 Nature Materials에 "Plant nanobionics approach to augment photosynthesis and biochemical sensing"이라는 제목으로 소개되었다. 연구진은 광합성이 일어나는 식물의 엽록체에 나노튜브를 주입(임베디드)시켜 태양에너지의 30%를 모을 수 있게 되었다. 또한 엽록체에 주입되는 탄소 나노튜브의 종류를 달리하여 산화질소 가스를 감지할 수 있는 기능을 식물이 가지게 만들었다. 연구진은 “식물 나노바이오닉”이라고 새로운 이름을 붙였다.

“식물은 기술 플랫폼으로 매우 매력적인 대상”이라고 이번 연구진을 이끈 MIT Michael Strano 교수는 말했다. 또한 “식물은 자가 치유 기능을 가지며, 외부 환경에 변하지 않고 스스로 안정된 상태를 유지하다. 또한 스스로 필요한 에너지를 만들어내며, 각 기관으로 물을 공급하는 여러 기능을 가지고 있다”고 말했다.

나노바이오닉 식물에 대한 개념은 식물 세포와 결합한 태양전지의 자가 회복 기능에 관한 연구에서 시작되었다. 연구진은 식물에서 엽록체를 별도로 분리하여 광합성 기능을 향상시켜, 이를 태양전지에 적용하는 방법에 관한 연구를 진행해왔다. 광합성이 일어나는 엽록체의 공정은 두 단계로 나뉠 수 있다. 첫 번째는 빛을 흡수하는 엽록소 단위체 내에는 전자들이 여기된 상태로 엽록체의 틸라코이드 멤브레인을 따라 이동한다. 식물은 이러한 전기 에너지를 모아서 광합성에 이용한다.

엽록체는 식물로부터 분리된 후에도 여전히 이러한 기능을 유지한다. 그러나 몇 시간이 지난 후에는 빛과 산소가 광합성 단백질을 손상시켜 이러한 기능이 멈추게 된다. 일반적으로 식물은 이러한 피해로부터 스스로를 복구하는 기능을 가지고 있다. 그러나 외부로 추출된 엽록체는 이러한 자기 회복 기능을 유지할 수 없게 된다. 연구진은 엽록체의 생산능력을 향상시키기 위해서 식물에 산화세륨(cerium oxide) 나노입자를 주입시켰다. 나노세리아(nanoceria)라고 불리는 산화세륨 나노입자는 매우 강한 산화방지제이며 엽록체를 보호하는 역할을 할 수 있다.

연구진은 나노세리아를 엽록체에 주입하기 위해서 LEEP(called lipid exchange envelope penetration)라는 새로운 기술을 개발했다. 폴리아클릴산에 입자를 래핑하여 입자들이 엽록체 주위를 감싸고 있는 소수성 멤브레인을 뚫고 들어갈 수 있게 하였다. 이는 엽록체의 손상 분자 수치를 급격하게 떨어뜨렸다.

연구진은 같은 방법으로 음전하를 띤 DNA가 코팅된 반도체 탄소 나노튜브를 엽록체에 주입하였다. 식물은 일반적으로 10%의 정도의 변환효율을 가지고 있다. 탄소 나노튜브는 가시광선에부터 적외선, 자외선 영역 등 넓은 파장 범위의 파장을 흡수하는 인공 안테나 역할을 한다. 탄소 나노튜브가 주입된 엽록체의 효율은 49%까지 향상되는 것으로 확인되었다. 또한 나노세리아의 주입으로 인해서 외부로 추출된 엽록체의 활성화 기간이 수 시간 연장되는 것이 확인되었다.

연구진은 나노입자를 십자학과 실물인 애기장대(Arabidopsis thaliana plant)에 주입시켜 광합성으로 인한 에너지 변환 효율을 30%까지 향상시키는 데 성공했다. 탄소 나노튜브가 주입된 애기장대는 산화질소 가스 감지할 수 있는 화학 센스로서의 가능성을 가진다는 것을 실험으로 입증했다. 연구진은 나노튜브가 결합된 폴리머가 산화질소 가스와 반응 시 형광을 띤다는 것을 확인했다. 연구진은 향후 이러한 탄소 나노튜브가 주입된 엽록체 센서가 저 농도의 여러 가스를 구별하는 실시간 모니터링 센서로의 기능을 할 수 있을 것으로 기대한다고 밝혔다.

* 자료 - KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』