KAIST 연구팀은 3차원 현미경을 통해 생균의 세포에 바이오플라스틱 과립이 어떻게 축적되는지 관찰했다. 광학 회절 단층 촬영을 통한 폴리하이드록시알카노에이트(PHA) 바이오 플라스틱의 3D 이미징 및 정량 분석은 석유 기반 플라스틱에 대한 지속 가능한 대안의 생합성에 대한 통찰력을 제공합니다.
생분해성 폴리에스터 폴리하이드록시알칸(PHA)은 기존 합성 플라스틱을 대체할 친환경 바이오 플라스틱으로 선전되고 있습니다. PHA는 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌과 같은 범용 플라스틱과 유사한 특성을 가지지만 용기 및 일회용 제품의 포장과 같은 많은 산업 응용 분야에 사용할 수 있습니다.
PHA는 과잉 탄소원이 존재하는 불균형 성장 조건에서 에너지 및 탄소 저장 물질로 많은 박테리아에 의해 합성됩니다. PHA는 세포질에 불용성 과립 형태로 존재합니다. 이전 연구는 형광 현미경, 투과 전자 현미경(TEM) 및 극저온 전자 이미징을 사용하여 생체 내에서 PHA 과립을 조사하기 위해 수행되었습니다.
이러한 기술은 일반적으로 정지된 세포의 다차원 2차원 스냅샷의 통계적 분석 또는 세포의 짧은 관찰에 의존했습니다. TEM 분석을 위해서는 세포를 고정하고 절단해야 하므로 살아있는 세포에 대한 조사가 불가능했습니다. 형광 기반 기술에는 형광 라벨링 또는 염료 염색이 필요합니다. 따라서 리포터 단백질을 사용한 간접 영상화는 PHA 또는 세포의 고유 상태를 보여줄 수 없으며 침습성 외인성 염료는 세포 생리학 및 활력에 영향을 미칠 수 있습니다. 따라서, 기술적인 한계로 인해 세포 내 PHA 과립의 형성을 완전히 이해하기가 어려웠고, 따라서 관찰에만 기초한 여러 메커니즘 모델이 제안되었다.
3D현미경으로 토모큐브를 창업한 이상엽 석좌교수와 박용근 물리학 교수가 이끄는 대사공학 연구팀은 개별 살아있는 세균 세포에서 PHA 과립을 무표지 3차원 정량 분석한 결과를 유추해 보고했다. 광학 회절 단층 촬영을 사용한 굴절률 분포. 세포에서 PHA 과립의 형성 및 성장 큐프리아비두스 네카토르, 가장 많이 연구된 원래 PHA(구체적으로는 PHB라고도 알려진 폴리(3-하이드록시부티레이트)) 제품, 재조합 대장균 숙소 C. 네카토르 PHB 생합성 경로가 비교적 조사되었습니다.
재구성된 세포의 3차원 굴절률 분포에서 연구팀은 단일 세포 수준에서 세포 및 세포내 PHA 과립의 3차원 시각화 및 정량 분석에 성공했다. 특히 연구팀은 최근 ‘생체 내 PHA 과립 밀도’ 개념을 도입했다. PHA 과립이 축적된 수백 개의 단세포에 대한 통계적 분석을 통해, 미생물에서 PHA 과립의 밀도 및 위치에 특징적인 차이가 발견되었습니다. 또한 팀은 재조합 PHA 과립의 특성을 가능하게 하는 차이를 만드는 데 핵심 역할을 하는 핵심 단백질을 확인했습니다. 대장균 와 닮아가다 C. 네카토르.
연구팀은 또한 세포 성장 및 분열과 함께 PHA 과립 형성의 실제 과정을 보여주는 3D 타임랩스 동영상을 제공했습니다. 살아있는 세포가 원래 상태에서 PHA 과립을 만들고 축적하는 것을 보여주는 필름은 이전에 보고된 적이 없습니다.
이 교수는 “이번 연구를 통해 PHA의 생체 내 형태적, 물리적 특성과 가용성 단량체에서 불용성 고분자로 전이된 후 과립이 형성되는 PHA 과립의 독특한 기전에 대한 통찰력을 얻을 수 있었다”고 말했다. 생물학과 물리학의 융합 연구를 달성하는 데 매우 중요한 박테리아 세포 내 PHA 과립의 형성에 대한 더 깊은 이해가 가능해졌으며, 이 연구는 향후 다양한 바이오플라스틱 생산 공정 개발에 도움이 될 것입니다. “
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