Microbial Synthesis of Reduced Graphene Oxide Nanosheets by Proteus mirabilis MT378377 and Antibacterial Activity against Multidrug Resistant Bacteria

현대 재료의 세계에서 그래핀만큼 찬사를 받는 물질은 거의 없습니다. 탄소 원자들이 완벽한 단층 벌집 구조로 배열된 한 장의 시트를 상상해 보십시오. 그것은 믿을 수 없을 정도로 강하고, 전기를 쉽게 전도하며, 매우 얇아서 본질적으로 2차원적입니다. 하지만 이 순수한 재료를 만드는 데는 종종 가혹한 화학 물질, 고온 또는 일상적인 사용을 위해 규모를 키우기 어려운 값비싼 장비가 필요합니다. 과학자들은 자연의 효율성을 모방하여 이러한 탄소 시트를 만드는 더 부드러운 방법을 오랫동안 찾아왔습니다. 그래핀 옥사이드(graphene oxide)라고 불리는 관련 재료는 생산하기는 더 쉽지만, 표면에 산소 원자를 추가로 가지고 있어 전도성이 떨어지고 수용성이 더 높습니다. 두 가지 장점을 모두 얻기 위해, 연구자들은 이 산소 그룹들을 제거하여 그래핀의 유용한 특성은 유지하면서도 다루기 쉬운 "환원 그래핀 옥사이드(reduced graphene oxide)"를 만들기 위해 노력합니다. 과제는 독성 화학 물질이나 극심한 열에 의존하지 않고 이러한 산소 그룹을 제거하는 방법을 찾는 것이며, 이에 따라 과학자들은 해결책을 찾기 위해 박테리아의 미시 세계를 바라보게 되었습니다.

파키스탄 라호르 여성 대학교(Lahore College for Women University)의 연구팀은 특정 박테리아가 이러한 화학적 변형을 수행할 수 있는지 테스트하기로 결정했습니다. 그들은 토양 샘량을 수집하고 다양한 박테리아 군집을 분리하는 것으로 시작하여, 어떤 것들이 자연적으로 그래핀 옥사이드를 환원할 수 있는지 선별했습니다. 여러 후보를 테스트한 끝에, 그들은 눈에 띄는 단일 균주를 식별했습니다. 유전자 분석을 통해, 이 박테리아가 환경에서 흔히 발견되는 미생물인 프로테우스 미라빌리스(Proteus mirabilis)임을 확인했습니다. 그들은 이 특정 균주를 MT378377이라고 명명하고, 이것이 정확히 어떻게 작동하는지, 그리고 어떤 조건에서 가장 잘 수행되는지를 이해하기 위해 착수했습니다. 목표는 이러한 탄소 나노시트를 대량으로 생산할 수 있는 깨끗하고 친환경적인 공정을 만드는 것이며, 이는 전통적인 화학 제조의 녹색 대안을 잠재적으로 제공할 수 있습니다.

연구진은 박테리아가 이러한 나노 재료를 위한 살아있는 공장 역할을 한다는 것을 발견했습니다. 박테리아를 그래핀 옥사이드 용액과 혼합하자, 미생물들이 산소 그룹을 제거하기 시작했으며, 이 혼합물이 짙은 검은색으로 변하는 것은 환원 그래핀 옥사이드의 형성을 나타냈습니다. 이 생물학적 공정의 완벽한 레시피를 찾기 위해, 연구팀은 마치 요리사가 음식을 조율하듯 다양한 조건을 조정했습니다. 그들은 박테리아가 많은 생명체의 표준 체온인 섭씨 37도의 따뜻한 온도에서 가장 잘 작동한다는 것을 발견했습니다. 또한 물의 산도도 중요하다는 것을 발견했는데, pH 5의 약간 산성인 환경이 박테리아가 가장 많은 재료를 생산할 수 있게 해주었습니다. 아주 적은 양의 소금, 구체적으로 염화나트륨을 추가하는 것이 공정에 도움이 되었으며, 보통 잘 섞이지 않는 물질들을 섞는 데 도움을 주는 트윈 80(Tween 80)이라는 특정 계면활성제를 추가하는 것도 도움이 되었습니다. 시작 단계의 그래핀 옥사이드의 가장 효과적인 농도는 밀리리터당 1밀리그램이었으며, 박테리아는 빛보다는 어둠 속에 있을 때 가장 잘 작동했습니다.

최적의 조건이 확립되자, 팀은 생산된 재료의 양과 형태를 측정했습니다. 적절한 조건 하에서 박테리아는 상당한 양의 환원 그래핀 옥사이드를 생성했으며, 연구진은 빛 흡수 테스트를 통해 이를 확인했습니다. 강력한 현미경으로 최종 생성물을 관찰했을 때, 그들은 박테리아가 성공적으로 얇은 시트 형태의 구조를 만들어냈음을 보았습니다. 이 시트들의 크기는 약 91나노미터였는데, 이는 100만 개가 모여야 사람 머리카락 너비 하나가 될 정도로 작은 규모입니다. 이 재료는 표면에 음전하를 띠고 있으며, 이는 시트들이 서로 뭉치는 것을 방지하고 물속에 부유 상태를 유지하도록 돕습니다. 화학적 분석 결과, 박테리아가 원래의 그래핀 옥사이드에서 많은 산소 그룹을 제거했지만, 일부 산소가 표면에 여전히 붙어 있어 재료에 독특한 화학적 특성을 부여한다는 것을 보여주었습니다.

연구진은 이 새롭게 만들어진 나노시트가 위험한 박테리아, 특히 다제내성 대장균(Escherichia coli), 황색포도상구균(Staphylococcus aureus), 살모넬라 타이피(Salmonella typhi)를 물리칠 수 있는지 테스트했습니다. 그들은 원래의 그래핀 옥사이드, 새로 만들어진 환원 그래핀 옥사이드, 그리고 표준 흑연의 성능을 비교했습니다. 결과는 놀라웠습니다. 원래의 그래핀 옥사이드는 박테리아가 자랄 수 없는 투명한 구역을 만들어내는 강력한 무기로 입증되었으며, 농도가 높아질수록 그 효과가 강해졌습니다. 그러나 박테리아에 의해 생성된 환원 그래핀 옥사이드는 테스트된 농도에서 이러한 내성 병원균을 죽이는 능력을 보여주지 못했습니다. 표준 흑연 역시 박테리아를 막는 데 실패했습니다. 연구팀은 박테리아가 재료를 성공적으로 만들었지만, 환원 그래핀 옥사이드의 특정 화학적 구조가 원래의 환원되지 않은 버전보다 박테리아를 죽이는 데 덜 효과적이라는 결론을 내렸습니다.

최종 생성물의 항균 활성 결여에도 불구하고, 이 연구는 나노 재료를 제조하는 성공적이고 친환경적인 방법을 강조합니다. 연구진은 자신들이 생산한 환원 그래핀 옥사이드가 독성이 없으며, 의료 치료를 위해 세포 내로 약물이나 유전자를 운반하는 등의 다른 응용 분야에 유용할 수 있는 기능성 그룹을 보유하고 있다고 언급했습니다. 이 재료의 넓은 표면적 또한 산업 현장에서, 예를 들어 기계의 윤활제로 사용될 수 있음을 시사합니다. 이 특정 박테리아 균주가 단독으로 다제내성 박테리아를 죽이는 재료를 만들어내지는 못했지만, 과정 자체는 감염과 싸우기 위해 다른 제제와 결합하거나 의학 분야의 첨단 전달 시스템으로 사용될 수 있는 나노 재료를 만드는 유망한 저에너지 경로를 제공합니다. 이 연구는 적절한 조건이 갖춰진다면 자연을 활용하여 복잡한 재료를 구축할 수 있다는 것을 보여줍니다.