Consolidation effect of Sanxingdui relic ancient ivory by biomineralization with Sporosarcina pasteurii and Bacillus subtilis, and metatranscriptomic analysis
본 연구는 *Sporosarcina pasteurii*와 *Bacillus subtilis*를 활용한 복합 미생물 유도 탄산칼슘 침전(MICP) 기술이 퇴락한 삼성두 수중 상아의 기계적 강도를 유의미하게 향상시키고 공극률을 감소시킴으로써 효과적으로 강화함을 입증하며, 메타전사체 분석 결과 이 과정에서 주요 효소 유전자가 상향 조절되는 동시에 일반적인 대사 경로가 억제됨을 보여준다.
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당신이 고고학자로서, 마치 마른 스펀지처럼 건드리기만 해도 먼지가 되어 부서질 듯이 매우 취약한 역사의 한 조각을 들고 있다고 상상해 보십시오. 이것은 특히 상아와 같이 수천 년 동안 땅속에 묻혀 있던 많은 고대 유물들이 처한 현실입니다. 시간이 흐르면서 이 재료들을 결합해 주는 '풀' 역할을 하는 천연 단백질과 섬유질은 썩어서 사라지고, 그 자리에는 광물로 이루어진 속이 빈 부서지기 쉬운 골격만이 남게 됩니다. 이들을 구하기 위해 과학자들은 그 빈 구멍들을 강하면서도 부드럽게 채울 무언가, 즉 보물의 외형을 변화시키지 않으면서도 완벽하게 들어맞는 무언가로 채워 넣어야 합니다.
이곳에 보존 과학이라는 분야가 있습니다. 이곳에서 연구원들은 미세한 석공 역할을 수행합니다. 그들이 가장 즐겨 사용하는 도구 중 하나는 미생물 유도 탄산칼슘 침전(MICP) 공정입니다. 이것을 박테리아로 구성된 작고 보이지 않는 건설 팀을 고용하는 것이라고 생각해보십시오. 이 박테리아들은 그저 가만히 앉아 있는 것이 아니라, 특정 먹이(요소와 같은)를 먹고 그 부산물로 탄산칼슘이라는 천연 시멘트를 내뱉습니다. 이는 마치 박테리아가 유물의 균열 속에 천연 돌 접착제를 3D 프린팅하여, 취약한 스펀지를 다시 단단한 바위로 바꾸어 놓는 것과 같습니다. 과학자들이 항상 던지는 큰 질문은 이것입니다. 단 한 종류의 박테리아만 사용하는 대신, 서로 다른 종류의 박테리아를 혼합함으로써 이 건설 팀이 더 빠르고 강력하게 작동하게 만들 수 있을까?
이것이 바로 한 연구팀이 매우 특별하고도 심하게 손상된 역사의 한 조각, 즉 중국 산싱두이 유적에서 발굴된 고대 상아를 사용하여 테스트하고자 했던 내용입니다. 이 상아 유물들은 열과 오랜 매립으로 인해 상태가 매우 좋지 않으며, 느슨해지고 균열이 가득한 상태였습니다. 연구진은 '태그 팀' 접근 방법을 시도하기로 했습니다. 그들은 두 가지 서로 다른 박테리아를 짝지었습니다. 우레아제(시멘트 생성을 시작하는 도구)라는 효소를 만드는 데 능숙한 Sporosarcina pasteurii와, 탄산무수화효소(과정을 가속화하는 조력 효소)를 생산하는 데 챔피언인 Bacillus subtilis를 결합한 것입니다.
결과는 인상적이었습니다. 이 박테리아 듀오로 상아를 처리한 후, 재료는 단순히 외형이 유지된 것을 넘어 눈에 띄게 강해졌습니다. 연구진은 상아가 눌리는 힘에 저항하는 능력(압축 강도)이 처리되지 않은 부서지기 쉬운 상아보다 2.49배 높은 20.92 MPa까지 급증했다는 것을 측정했습니다. 더욱 좋은 점은 이 처리가 유물의 외형을 망치지 않았다는 것입니다. 색상 변화는 색상 척도에서 1.81 미만으로 매우 미미하여 인간의 눈으로는 차이를 식별하기 어려웠으며, 균열은 상아의 자연스러운 색상과 완벽하게 일치하는 시멘트로 채워졌습니다.
하지만 과학자들은 단순히 이것이 효과가 있는지 확인하는 데 그치지 않고, 박테리아가 어떻게 행동하고 있는지 알고 싶어 했습니다. 그들은 첨단 유전적 도구를 사용하여 박테리아의 '대화'를 경청했습니다. 그들은 박테리아가 시멘트를 만드는 데 분주할 때, 실제로 정상적인 성장과 섭식 습관을 늦춘다는 것을 발견했습니다. 대신, 그들은 건설 도구(우레아제와 탄산무수화효소)를 만드는 유전자의 볼륨을 높였습니다. 박테리아는 자신들이 어려운 상황에 처해 있다는 것을 알고 모든 에너지를 당면한 과업에 집중한 것처럼 보였습니다. 흥와롭게도, 혼합물 중에서 Bacillus subtilis가 가장 흔한 박테리아였음에도 불구하고, Sporosarcina pasteurii는 시멘트가 만들어지는 동안 개체 수가 증가했는데, 이는 이 박테리아가 변화하는 알칼리성 환경의 건설 현장을 다루기에 가장 적합했음을 시사합니다.
요컨대, 이 연구는 이 두 특정 박테리아를 혼합하는 것이 취약한 고대 상아를 위한 강력하고 자연적인 수리 키트를 만든다는 것을 시사합니다. 이는 구멍을 채우고, 강도를 두 배로 높이며, 유물이 예전과 똑같은 모습으로 남도록 하여, 역사가 먼지가 되어 사라지는 것을 막는 유망한 새로운 방법을 제시합니다.
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