Living hydrogels with catalytic function grown from engineered yeast co-cultures

우리가 의료 기기, 소프트 로봇, 심지어 식품을 만드는 데 사용하는 재료를 무거운 기계나 독성 화학 물질이 가득한 공장에서 제조하는 것이 아니라, 마치 정원을 가꾸듯 직접 길러내는 세상을 상상해 보십시오. 이것은 과학자들이 아주 작은 유기체들에게 구조물을 만들도록 프로그래밍하는 분야인 '엔지니어링된 살아있는 재료(engineered living materials)'가 약속하는 미래입니다. 이 이야기의 핵심에는 물로 대부분 이루어져 세포를 품고 생명을 지탱할 수 있는 부드러운 젤 형태의 네트워크인 하이드로젤이 있습니다. 이러한 재료는 인공 피부, 상처 드레싱, 조직 지지체와 같은 것들에 필수적입니다. 그러나 이를 만드는 과정은 전통적으로 어렵고 종종 해로운 과정이었습니다. 액체 단백질을 고체 젤로 바꾸기 위해, 제조업체들은 대개 가혹한 화학적 가교제나 값비싼 정제 효소를 혼합해야 했습니다. 이러한 화학 물질은 젤이 보호하고자 하는 바로 그 세포에 독성이 될 수 있으며, 정제 단계 또한 에너지 집약적이고 번거롭습니다. 하지만 자연은 수십억 년 동안 이 문제를 해결해 왔습니다. 우리 몸속과 자연계의 살아있는 세포들은 독성 첨가물 없이도 단백질을 서로 연결함으로써 끊임없이 젤 형태의 구조물을 구축하고 수리합니다. 연구자들이 던져온 질문은 우리가 미생물에게도 똑같은 일을 하도록 가르쳐서, 단순히 액체 배양액 속에서 키우는 것만으로 이 유용한 재료들을 만들어낼 수 있을 것인가 하는 점이었습니다.

알토 대학교(Aalto University)와 임페리얼 칼리지 런던(Imperial College London)의 과학자 팀은 이제 그 질문에 대해 확고한 '예'라는 답변을 내놓았습니다. 그들은 엔지니어링된 효모 세포가 외부 화학 물질이나 복잡한 제조 단계 없이 액체 배양액으로부터 직접 강하고 기능적인 하이드로젤을 키워내는 시스템을 개발했습니다. 연구진은 먼저 분자 접착제처럼 작과하여 단백질 사슬을 엮어 단단한 네트워크를 형성할 수 있는 트랜스글루타미나아제(transglutaminase)라는 특정 유형의 효소에 주목했습니다. 자연계에 이러한 효소의 몇몇 버전이 존재하지만, 연구팀은 견고하고 작동을 위해 추가적인 조력 분자를 필요로 하지 않는 박테리아 버전을 선택했습니다. 그들은 네 가지 서로 다른 박테리아 효소를 채택하여 효모 세포가 이를 생산하도록 프로그래밍했습니다. 가장 적합한 후보를 찾기 위해, 이들은 효소를 효모 세포 표면에 표시하고 선별 과정을 거쳐 어떤 효소를 효모가 가장 효과적으로 생산할 수 있는지 확인했습니다. 그 결과, Streptomyces mobaraensis라는 박테리아 유래 효소가 명확한 승자로 밝혀졌습니다.

다음 과제는 효모가 이 효소를 액체 속으로 분비하여 주변 환경의 단백질에 작용하게 만드는 것이었습니다. 연구진은 효모가 이 효소를 배양액 속으로 자유롭게 방출하도록 설계했습니다. 그들은 효소가 작동하는 데 필요한 빌딩 블록이 풍부한 카제인(casein)이라는 특정 단백질을 액체 배양액에 추가했습니다. 효모를 조용하고 방해받지 않는 용기 안에서 배양하자, 효모는 효소를 분비하기 시작했습니다. 이 효소는 카제인 단백질들을 서로 연결하기 시작했습니다. 그러나 문제가 발생했습니다. 효모 세포는 너무 무거워 떠오르지 못하고 용기 바닥으로 가라앉는 것이었습니다. 그 결과, 효소는 바닥 부분에서만 생성되었고 젤은 그곳에 두꺼운 층으로만 형성되었으며, 나머지 액체는 아무런 변화가 없었습니다. 재료가 균일하지 않았고 과정 또한 비효율적이었습니다.

이를 해결하기 위해 연구진은 자연에서 힌트를 얻었습니다. 야생의 효모는 셀룰로오스가 풍-부한 부패하는 과일이나 나무껍질 같은 식물 물질에 달라붙곤 합니다. 연구팀은 이 셀룰로오스 나노섬유(nanofibrils)를 사용하여 효모 세포를 액체 속에 부유시킬 수 있을지 궁금해했습니다. 그들은 배양액에 이 나노섬유를 소량 첨가했습니다. 이 섬유들은 부드럽고 투명한 격자 역할을 하여, 액체의 전체 부피 공간에서 효모 세포를 제자리에 붙잡아 두었습니다. 세포들이 이제 고르게 분포됨에 따라, 효모가 생성한 효소는 용기 곳곳의 카제인 단백질에 도달할 수 있게 되었습니다. 그 결과는 놀라운 변화였습니다. 며칠 만에 전체 액체가 균일하고 자립 가능한 하이드로젤로 변한 것입니다. 이 젤은 단순한 혼합물이 아니었습니다. 이는 독특한 이중 구조를 가지고 있었습니다. 네트워크의 한 부분은 물리적으로 엉킨 셀룰로오스 섬유로 만들어졌고, 다른 한 부분은 효모의 효소에 의해 화학적으로 접착된 단백질로 만들어졌습니다. 이 결합 덕분에 재료는 매우 강하고 탄성이 있어, 쥐어짜더라도 형태를 유지할 수 있으면서도 94%가 물로 이루어진 상태를 유지했습니다.

그러나 이 살아있는 시스템의 진정한 힘은 단순히 젤을 만드는 것을 넘어 특정 화학적 과업을 수행할 수 있는 능력에 있습니다. 연구진은 젤을 만드는 효모와 항생제를 분해하는 효소를 생성하도록 설계된 두 번째 유형의 효모를 함께 공동 배양했습니다. 두 종류의 효모가 동일한 액체 속에서 함께 자랐기 때문에, 생성된 하이드로젤은 구조적 단백질과 항생제 분해 효소를 모두 포함하게 되었습니다. 연구진이 젤을 테스트했을 때, 젤이 화학적 지시약의 색을 성공적으로 변화시키는 것을 발견했으며, 이는 살아있는 재료가 능동적으로 촉매 기능을 수행하고 있음을 증명했습니다. 즉, 단 한 단계만으로 구조적 젤이자 기능적 도구인 재료를 키워낸 것입니다.

이 연구는 우리가 재료를 만드는 방식에 대한 근본적인 전환을 의미합니다. 과학자들은 용기 안에서 화학 물질의 반응을 강요하는 대신, 세포 내부의 유전적 지침에 따라 재료가 스스로 자라나도록 유도했습니다. 이 과정은 효모를 액체 매질에서 배양하기만 하면 되는 간단한 방식이며, 독성 가교제를 전혀 사용하지 않습니다. 결과물인 하이드로젤은 강하고 유연하며, 유해 물질을 분해하는 것과 같은 특정 과업을 수행하도록 프로그래밍될 수 있습니다. 사용된 효모는 일반적으로 안전하다고 인정받는(GRAS) 종류이며 효소 또한 이미 식품 산업에서 사용되고 있기 때문에, 이 접근 방식은 의학, 식품 및 첨단 기술을 위한 새로운 유형의 생분해성 재료를 만드는 길을 열어줍니다. 이 연구는 살아있는 세포의 자연적인 능력을 활용함으로써, 이전에는 가혹한 산업 공정 없이는 불가능했던 복잡하고 고성능인 재료를 길러낼 수 있음을 보여줍니다.