The Korean Society For Biotechnology And Bioengineering

Journal Archive

Korean Society for Biotechnology and Bioengineering Journal - Vol. 29 , No. 1

Recent Researches for Diatom as Inorganic and Bioenvironmental Materials 무기소재 및 생물환경 소재로서의 규조류 활용 연구 동향

Author: Eui Kyoung JangAffiliation: 1Department of Biotechnology and Bioinformatics, Korea University, Korea
Author: Hyun Kyeong Shin
Author: Seung Pil Pack1, *
Correspondence: *Tel: +82-44-860-1419, Fax: +82-44-860-1411 e-mail: spack@korea.ac.kr

Journal Information
Journal ID (publisher-id): KSBB
Journal : Korean Society for Biotechnology and Bioengineering Journal
ISSN: 1225-7117 (Print)
ISSN: 2288-8268 (Online)
Publisher: Korean Society for Biotechnology and Bioengineering
Article Information
Received Day: 17 Month: 12 Year: 2013
Accepted Day: 07 Month: 02 Year: 2014
Print publication date: Month: 02 Year: 2014
Volume: 29 Issue: 1
First Page: 9 Last Page: 21
Publisher Id: KSBB_2014_v29n1_9
DOI: https://doi.org/10.7841/ksbbj.2014.29.1.9

© 2014 The Korean Society for Biotechnology and Bioengineering

Abstract

One of the most abundant microalgaes, diatom is characterized by its unique cell wall structures composed of nano-patterned silica. Due to its highly ordered porosity, these silica frustules, which are found as sediments called diatomite, were used as a cheap adsorption material for water purification. Recently, new emerging nanotechnology compels many researchers to have interest in such diatom’s unique properties (eg, nano-scale mesoporosity, photo luminescence, light transparency, etc.) as biogenic inorganic materials as well as the biomass resource (conventional usage of microalgae). In this review, we will focus on the current knowledge about the diatoms research and the possibility of its applications.


Keywords: Diatom, Nanotechnology, Biogenic inorganic material, Frustule, Bioenvironmental application

1. 서론

규조류 (Diatom)는 2 μm~2 mm까지의 다양한 크기로 분포하는 단세포 조류로 지구상에서 흔히 볼 수 있는 대표적인 식물성 플랑크톤이다. 규조류는 육상 총 1차 생산량의 20~25%를 차지하고, 해상 생물량 생산의 40%를 차지하고 있기 때문에 수백만 년 동안 해양의 생산자로써 생태계에 중요한 역할을 담당해오고 있다. 현재, 미세조류들은 세포 질량 대비 높은 광합성 효율을 갖고 있어서 배양을 통한 지질이나 바이오연료 및 생체 유용 자원의 생산 등의 생산에 주로 활용되고 있다.

한편, 규조류는 다른 해양 미세조류와 달리 세포외벽 구조로 무정형의 수화된 실리카를 껍질 (silica frustule)을 형성하는 특징을 갖는다. 단단한 무기질의 껍질들은 세포가 사멸한 후에도 남아 있게 되는데, 이것이 토양에 축적 된 것을 규조토 (Diatomaceous earth (DE) or diatomite)라고 하며, 수질 개선을 위한 필터에서 연구실의 DNA 정제를 위한 분자 생물학적 도구에 이르기 까지 예전부터 널리 사용되고 있다.

최근 들어 나노공학의 발달로 미세 기본 구조의 형태적 특성이 중요하게 다루어지며 규조류의 독특한 미세 구조가 주목받고 있다. 이에 따라, 규조류라는 단세포 생물의 실리카 껍질을 실리카 입자로써 활용하려는 추세이다. 규조류는 각각의 종 마다 특징적인 크기와 모양이 있고 공통적으로 다공성 표면을 가지므로 각각의 규조류 껍질은 고유의 특성을 갖는 실리카 입자로 활용될 수 있다. 이에 따라 규조류 연구는 과거의 생물학적 진화의 계통분류 정도의 연구에서 벗어나, 실리카 외각 형성 원리를 분자적으로 접근하거나 특정 종의 껍질을 실리카 입자로 사용하여 나노공학 소재, 산업적 응용소재로써 활용하려는 연구가 진행 중이다.

본 총설에서는 규조류의 생물 구조적 특징에 대해 정리하고 현재 진행되고 있는 규조류에 대한 연구동향을 소개하며 무기소재 및 생물환경 소재로써의 응용가능성을 알아본다.


2. 규조류 (Diatom)의 특징
2.1. 규조류의 구조적 다양성

규조류는 전체 지구 생물 종 중에서 총 유기물 생산량의 25%를 차지할 정도로 널리 분포되어 있다. 약 2 μm~2 mm의 다양한 크기로 분포하는 규조류는 공통적으로 단단한 다공성 실리카 (silica)벽을 갖는 단일 세포이며 각각 종의 독특한 껍질 형태에 따라 분리하였을 때 약 10만종 이상이 존재하는 것으로 추정된다 [1,2]. 규조류에 대한 분류는 아직 완전히 정립되지 않았지만 형태에 따라 크게 2가지의 분류가 적용되고 있다. 뚜껑 (valve)의 모양과 무늬가 방사상의 대칭구조를 이루는 중심규조목 (中心硅藻目:Centrales)과 깃털 형태로 가늘고 길게 늘어진 축을 가진 우상규조목 (羽狀硅藻: Pennales)으로 나누는 것이다 [3]. 그러나 이러한 계통분류는 방사상의 구멍 배열을 갖는 양쪽성의 규조류인 Biddulphia Gray, Odontella C.Agardh 종 및 방사상의 패턴 없이 길게 늘어진 centric diatom인 Cymatosira Grunow 종 등의 구분이 어렵기 때문에 분자생물학적 동정을 이용한 분류가 대두되고 있다 [4].

규조류는 환경지표로써 서식 환경의 변화와 밀접한 연관이 있고, 규조류의 껍질은 단위 중량 당 넓은 표면적을 갖는 다공성 구조의 생물 재료로써 폭넓은 잠재성이 있으므로 국가차원에서 관리가 되고 있다. 현재 미국은 자국 내 규조류 종 관리를 위하여 별도의 데이터베이스 (http://westerndiatoms.colorado.edu)를 운용하고 있다. 국내에서도 한국해양미세조류은행 (www.kmmcc.re.kr)에서 국내 연안에 포집되는 규조류를 관리하고 있으며 분양서비스를 제공하고 있다.

2.2. 규조류 껍질 (Frustule)의 형성 매커니즘

규조류는 공통적으로 위, 아래 두 개의 외각으로 구분되며 페트리 디쉬 (petri dish) 모양으로 결합되어 있다. 규조류가 성장함에 따라 두 외각은 서로 멀어지고 중앙의 겹쳐진 부분 (girdle band)에서 새로운 실리카 외각이 형성된다 (그림 1A). 복제가 반복 될수록 아래 껍질 (hypovalve)을 기반으로 분열된 종류는 크기가 점점 작아지게 된다. 분열이 불가능 할 만큼 작아진 것들은 반수체 (haploid) 상태의 포자체 단계로 넘어가며 크기를 회복한다. 규조류의 실리카 (silica) 외막 (silanol group [Si(OH)2 or Si-OH]) 형성은 수용액 상태의 규산 (silicic acid, [Si(OH)4])를 섭취하면서 가능해진다 [5]. 세포막상에는 배양액 상에 존재하는 규산을 세포질 내부로 수송하기 위한 silicic acid transporter (SIT)가 존재하는데, 이를 암호화 하는 cDNA가 Hildebrand 연구팀에 의해 동정되었다 [6]. Transporter에 의해 세포질 내로 이동된 규산은 silica-transport vesicle (STV)에 의해 세포막 분열 지점인 girdle band 상에 위치하고 있는 silica-deposition vesicle (SDV) 까지 수송되어진다 (그림 2B) [7]. STV가 SDV까지 이동하는 자세한 방식은 아직 밝혀지지 않았지만 SDV의 형성과 함께 미세소관 (microtubule)이 형성된다는 사실이 보고되었다 [8].


Fig. 1.  
SEM (scanning electron microscope) images of diatoms. (A) Biddulphia reticulata, a centric diatom. Girdle bands are seen at the center of frustule (size bar = 10 μm). (B) Eupodiscus radiatus, a centric diatom (size bar = 20 μm). (C) Diploneis sp., a pennate diatom. Two diatom frustules in which raphes, feather-like slits, valves, and girdle bands was seen (size bar = 10 μm). (D) Melosira varians, a centric diatom (size bar = 10 μm) (66)


Fig. 2.  
The structure of a diatom frustule and the process of silica frustule formation with a cell generation. (A) Diatom frustule structure composed of hypovalve, epivalve, and girdle band. (B) Cell division based on silica frustule formation. (C) Representative sequence of silaffin peptide involved in in vivo silica formation in the silica deposition vesicle (SDV). Silaffin is characterized by its highly posttranslational modification.

SDV로 수송된 수용성 규산 (silicic acid)이 규조류의 복잡하고 다양한 표면 구조로 변화하는 원리는 아직 명확하지 않지만, 계속된 연구를 통해 매커니즘에 관여하는 중요한 요소들이 밝혀지고 있다. Eecky 연구팀 (1973)에 따르면, 규산(silicic acid)의 고정은 다수의 히드록실기 (hydroxyl group)를 갖는 단백질에 의해 이루어진다는 사실이 밝혀졌고 [9], Shimizu, K. 연구팀 (1998)에 의해 해면동물인 Tethya aurantia 종으로부터 다수의 아민 (amine) 및 히드록실기 (hydroxyl group)를 갖는 단백질 (silicatein으로 명명됨)이 동정되었다[10]. 실리카테인 (silicatein)과 유사한 도메인을 갖는 단백질은 규조류 상에서도 발견된다.

실라핀 (silaffin)은 규조류에서 발견되는 실리카 고정 단백질로써 Cylindrotheca fusiformis으로부터 추출되어져 기능적 측면에 대해 많은 연구가 이루어졌다 [11]. 실라핀 (silaffin)은 여러 종류가 발견되었는데 약간의 서열 차이와 변이 (modification)된 정도에 따라 7개의 종류로 나뉘지만, 모두 다수의 lysine, arginine 잔기를 포함하며 고도로 post-modification되어 있다는 것이 특징이다. 실라핀 (silaffin)의 양성 잔기들은 규산 단량체와 정전기적 상호작용을 하여 뭉치게 만든다. 응축된 규산 (silicic acid)은 siloxane bond를 이루며 원형으로 커지다가 3차 구조로 발달한다고 알려져 있다. 세린 (serine) 잔기의 인산화에 의한 음성화는 낮은 pH에서도 실리카(silica) 고정 효율의 감소를 막는 안정화 역할을 하는 것으로 밝혀졌다 (그림 1C) [12].

위와 같은 규조류의 외각 형성 매커니즘을 탐구하는 것과 동시에, 이러한 실라핀 (silaffin)의 실리카 고정 매커니즘을 모사하여 유용한 실리카 기반 나노 구조체를 만드는 연구들이 다양하게 시도되고 있다. Manfred Sumper 팀은 실라핀 (silaffin)-1A와 monosilicic acid를 섞어준 상황에서 시간에 따라 고정된 실리카 (silica) 형태를 주사전자현미경(SEM, scanning electron microscope)으로 관찰하여 시간에 따라 형성되는 모양 (나뭇가지 구조에서 구슬 형태까지)이 다르게 나타남을 보고하였다 [13].

현재, 실리카 고정 펩타이드를 이용한 연구는 대부분 복잡한 형태 보다는 균일한 구체 형태의 실리카 (silica)를 제어하는데 초점을 맞추고 있다. 하지만, 실라핀 (silaffin)이나 polyamine을 이용한 실리카 나노구조체 구성의 분자적 접근법으로 규조류가 갖는 실리카 (silica) 3차원 구조를 표현하기 위해서는 앞으로 많은 연구가 진행되어야 할 것으로 보인다. 비록, 규조류의 실리카 고정에 대한 매커니즘을 분자 수준에서 직접 이용하기 어려운 수준일 지라도, 10만여 종 이상의 규조류 실리카 껍질에서 보고되는 다양한 구조적 특징을 목적에 맞게 특성화 한다면, 기존 소재의 한계를 넘는 생물 유래 무기소재로써 활용 가능할 것이다.

다음은 규조류를 환경 생물소재로 활용하여 생물학적 원료를 생산하거나 환경 미생물로 활용한 사례와 무기소재로써 실리카 구조체 및 센서 등에 활용한 사례를 알아본다.


3. 환경 생물소재 측면에서의 응용
3.1. 바이오디젤 및 생물 유용 물질 생산

미세조류는 하천 및 해양 생태계의 1차 생산을 담당하여 개체 수가 많고 널리 분포하는 생물종이기 때문에 각 종마다 특이성이 잘 보존되어 있다. 그 만큼 미세조류로부터 생산되는 대사물질도 매우 다양하다 [14]. 또한 일반적으로 미세조류는 식물보다 월등히 빠른 성장으로 생산성이 높고 특정 대사물질을 고농도로 얻어낼 수 있어서 중요한 환경 생물소재로 활용되었다. 미세조류로 얻어낼 수 있는 물질로는 단백질, 지질, 색소, 고분자 (polymer), 생리활성 물질 등이 있다.

규조류 역시 미세조류의 일종으로 오래 전부터 지질 및 생리활성 물질을 생산하기 위한 균주로 사용되어 왔다. 초기 규조류의 활용은 지질 생산에 높은 비중이 두어졌다. Dunahay연구팀은 Cyclotella 종에 지질 합성에 필수적인 Acetyl CoA carboxylase 유전자를 복수 도입하여 생물연료 (biofuel) 생산량을 늘리려고 하였으나 상용화에 성공하지는 못하였다 [15]. 하지만, 고 부가가치의 건강 보조제나 제약 분야에서는 docosahexaenoic acid (DHA) 및 eicosapentaenoic acid (EPA) 등의 지질이 성공적으로 추출되어 사용되고 있다 [16]. 또한 화장품을 위한 단백질 생산이나 항생제 생산 및 동물 사료를 위한 다양한 색소 생산을 위해 규조류를 이용한다 [17,18]. 한편, 규조류는 일반 미세조류와 달리 규소성분의 단단한 껍질을 갖고 있어서 세포 기질 성분의 추출 후 남은 껍질이 부산물로 여겨질 수 있지만, 최근 오염원 제거 (pollution remediation) 및 나노공학 (nanotechnology) 분야에 대한 관심이 커지며 실리카 껍질을 천연 소자로 활용하기 위해 규조류를 배양하는 사례가 늘고 있는 추세이다.

3.2. 수질측정의 지표

종 다양성이 풍부한 규조류는 서식 환경이 다양하며 환경변화에 민감하게 작용하기 때문에 오래전부터 환경 오염의 생물지표 (bioindicator)로 이용되었다. Evensom W. E.는 계절변화에 따른 수환경 내의 화학물질 변화와 규조류의 군집의 상관관계 분석에서 18가지 화학물질에 대한 규조류 22종의 군집을 조사하여 규조류가 가지는 생물지표로서의 가능성을 확인하였다 [19]. 규조류는 외부 환경 변화 (온도, 염도, pH, 영양원, 난기류 등)에 대해 형태의 변이를 보이기도 하는데, 주로 온도 및 염도에 따라 실리카 껍질의 pore 형태가 변한다고 보고된 바 있다 [20]. 현재는 규조류를 이용하여 수질오염의 정도를 파악하는 방법으로 여러가지 지수들을 이용하고 있다. GI (Genetic Index)는 부영양화의 평가 보다는 유기오염 측정에 적합한 지수로 오염과 관련된 규조류 종의 비율을 나타내고 [21], DAIpo (Diatom Assemblage Index for organic pollution)은 유기오염물질의 유무에 따라 오염된 수질과 깨끗한 수질의 diatom종의 상대적 차이를 지수로 표현한다 [22]. 이외에도 부영양화 평가에 용이한 TDI (Trophic Diatom Index) [23], 부생균의 지수를 나타내는 SI (Saprobic Index) [24], 비점오염원을 관찰하기 위한 DMA (diatom model affinity)를 사용하기도 한다 [25].

3.3. Bioremediation

미세조류는 수중 생태계의 1차 생산자로써 생태계의 유지에 중요할 뿐만 아니라, 중금속 및 독성 물질을 제거를 위한 생물 정화 기능까지 담당하고 있다. 또한, 미세조류의 일종인 규조류도 중금속 및 dichlorophenol과 같은 독성 화학물질을 효과적으로 제거할 수 있다는 것이 알려졌다 [26]. 규조류는 고농도의 중금속 이온 환경에서 살아남기 위해 금속 이온과 결합하는 glutathion의 중합체인 phytochelatin (class III metallothioneins; Mt III)을 생산한다. Phytochelatin의 생산은 phytochelatin synthase (PCS)에 의한 glutathion의 중합반응으로 합성된다. 이때, PCS의 활성은 금속이온과 결합한 glutathion에 의해 조절되어, 중금속의 노출 강도에 따라 비례하는 양의 phytochelatin이 합성된다 [27].

한편, 세포 배양을 통한 오염물 처리 과정은 세포의 재사용이 힘들고 생물체의 대사에 영향을 많이 받아서 공정을 조절하기 어렵다는 단점이 있다. 이를 극복하기 위해 규조류의 외골격을 사용하는 방안이 고려되었다 [28]. 그러나, 규조류 껍질을 사용한 오염물 제거는 껍질의 주 성분인 실리카 표면과 오염물의 물리 화학적 상호작용에 의존하므로 중금속이나 다양한 유기 오염물에 대한 응용은 제한적인 상황이다. 실리카 표면의 하이드록실기는 친수성 오염물질들과 수소결합을 이루어 흡착반응이 일어나므로 주로 아민기를 포함한 유기 오염물에서 흡착율이 높게 관찰된다 (그림 3A) [29].


Fig. 3.  
Application of diatom frustule for adsorption of the heavy metal ions (Environmental remediation application). (A) Adsorption mechanism of silica-based adsorbent. (B) Elimination of Hg ion by the adsorption ability of diatom frustule enhanced by surface modification.

오스트레일리아의 Losic 연구팀은 규조류 껍질의 제한된 흡착능 개선을 위해 표면 처리를 하여 수은 이온 (Hg(II))의 흡착능을 향상시켰다. 연구팀은 규조토 샘플 표면에 각각 3-mercaptopropyl-trimethoxysilane (MPTMS), 3-aminopropyltrimethoxysilane (APTES) 및 n-(2-aminoethyl)-3-aminopropyltrimethoxysilane (AEAPTMS) 처리를 하여 mercapto-, amine- 및 polyamine 기를 도입하였다. 표면 처리된 규조토 샘플을 이용하여 수은 이온 흡착반응을 진행한 결과 각각 185.2, 131.7, 169.5 mg (Hg(II)) / g (particle)의 결과를 얻었으며 mercapto-, polyamine 도입된 샘플에서 효율적인 흡착 반응이 일어나는 것으로 관찰되었다 (그림 3B) [30].


4. 무기소재 측면에서의 응용

규조류의 껍질은 순수 실리카로 구성되며 다공성 표면과 넓은 표면적을 제공하고 있어서 정화, 정제 분야 (수질정화용필터 및 DNA 정제 등)에 주로 사용되어 왔다. 이와 같은 규조류의 구조적 특성은 기존의 화학적 합성 방법으로 모사하기 어려운 부분으로써 최근 들어 진단 및 약물 전달, 반도체 분야의 나노공학 발달과 함께 기존 소재를 뛰어넘는 활용성이 기대되고 있다. 본 단락에서는 규조류 껍질의 특성을 이용한 나노공학적 연구 및 응용 사례에 대해 알아본다.

4.1. Template and Scaffold

규조류 껍질은 종마다 특이적인 모양과 표면에 수많은 구멍들을 갖고 있어서 뛰어난 중량 대비 표면적을 제공한다. 표면의 독특한 나노 사이즈 구멍은 계층적으로 존재하는데, 커다란 구멍 (50 nm 이상) 안쪽에 미세구멍 (50 nm 이하)들이 존재하는 고차 나노 구조로 이루어져 있다 [31]. 또한 껍질의 재질은 무기질인 실리카로써 다른 생물유래 물질과 달리 화학처리 및 열처리에 강한 특성이 있다. 이러한 특성들로 인해 규조류의 껍질은 뛰어난 생물유래 템플릿으로써 높은 활용 가치를 지닌다.

금속 나노 구조체는 일반적으로 박막 (thin-film) 이나 다공성 매트릭스 형태 또는 구형 및 막대형의 나노 파티클로 제작되고 있으며 모양에 따라 특이적인 물리적 특성들이 존재하여 반도체, 센서 및 의료 분야에 대한 활용성이 활발히 연구되고 있다. 현재, 이러한 금속 나노 구조체 제작을 위해서 다공성 막이나 제올라이트 및 콜로이드 등의 인공 구조물을 이용한 방법들이 적용되고 있으나 정밀성의 한계로 고 집적화된 나노 구조 제작을 위한 인공 템플릿의 적용은 아직 많은 연구가 필요한 상황이다 [32].

Northwestern 대학의 Mirkin 교수 팀은 다공성 구조인 규조류 껍질을 템플릿으로 활용하여 나노패턴의 금속 입자 제작방법을 보고하였다. 연구팀은 SynedraNavicular 종의 껍질을 템플릿으로 하여 아민 표면처리 후 DNA 단일 가닥을 표면에 고정시키고, 이에 상보적인 두 종류의 DNA가 코팅된 금입자를 교대로 처리하여 사이즈 조절이 가능한 금속 입자를 개발하였다 [33]. 또한, 다음 연구에서는 DNA 같은 생분자의 매개 없이 화학적으로 규조류 껍질 모양의 금속입자를 제작하는 방법을 적용하였다. 이 방법은 규조류 껍질 위에 metal evaporation 기법으로 금속층을 형성한 다음, 불산 (HF)을 이용한 etching으로 템플릿으로 쓰인 규조류 껍질의 실리카 성분을 제거하는 것이다 (그림 4A) [34].


Fig. 4.  
Preparation of nano-patterned metal structure via metal evaporation using diatom frustule as template matrix . (A) Diatom silica frustule was used as deposition support (engraving manner) for preparation of metal micro-particles, (B) Half valve of diatom frustule was used as template support (intaglio manner) for preparation of metal surface.

상기 방법은 규조류 껍질을 템플릿으로 하여 양각 기법으로 외형을 그대로 복제하는 것이다. 규조류 껍질을 기반으로 제작된 금속제의 복제품은 광학적 성질을 갖기 때문에 SERS (surface-enhanced Raman scattering) 기반의 센서에 사용될 수 있다 [35].

한편, 규조류를 이용한 금속 나노 구조체 제작에는 위의 사례와 조금 다른 방법이 적용된다. 규조류 표면의 구멍들은 나노 사이즈이며 계층적 구조를 갖고 있어서 복잡한 패턴의 나노입자를 제작하는 템플릿으로 활용될 수 있다. Losic 연구팀은 중심 규조목에 속하는 Coscinodiscus sp., Thalassiosira eccentric 및 미지의 보유종을 대상으로 원반모양의 템플릿을 제작하고 Si wafer 위에 올려 놓은 후, gold evaporation 방식을 적용하여 금 나노 구조체 및 나노 입자를 음각기법으로 제작하였다 (그림 4B). 템플릿이 제거된 후, 금 박막 (thin-film) 표면에는 규조류의 구멍에 해당하는 구조물이 남게 되며, 이러한 지름 약 200 nm의 구조물 상에 규조류 구멍의 계층 구조처럼 세부적인 나노 패턴을 갖게 된다. 그리고 구조물들을 개별적으로 분리하게 되면 나노입자로써의 활용이 가능해진다 [36].

규조류 기반 생물 유래 템플릿으로 얻어진 다공성 구조물들은 매우 넓은 표면적 (> 1,300 m2g-1)을 가지는 이점이 있다[37]. 넓은 표면적을 가지는 구조체는 에너지 및 물질 교환을 빠르고 효율적으로 만들기 때문에, 전통적으로 이러한 구조를 사용한 화학 및 생물반응기, 에너지 스토리지 등의 설계가 연구되었다. 다공성의 규조류 템플릿은 촉매 반응속도를 높이기 위한 고정화 구조체 제작에 뛰어난 소재이며 이를 이용한 연구사례가 보고되었다. 미국 조지아 공과대학의 Sandhage 연구팀은 Aulacoseira 껍질을 템플릿으로 사용하여 제작한 탄소 및 금 입자 위에 효소를 고정시킨 후 빠른 Flowthrough 기반의 생촉매 시스템을 구현하였다. 연구팀은 Glucose oxidase 효소를 고정화하기 위한 고정화 담체로 다공성의 탄소 및 금 (Au) 입자를 선택하였는데, 이들은 규조류 유래의 생물 템플릿으로 제작되었다. 연구팀은 효소 고정화를 위해, 우선, 효소에 양전하가 많이 존재하는 펩타이드를 유전적으로 결합시킨 후, 화학 가교제인 protamine을 사용하여 입자 표면에 고정화시켰다. 이어서, 연구팀은 제작된 효소(glucose oxidase) 고정 입자를 이용하여 flow-though 기반의 glucose 산화 반응기 시스템을 제작하였다. 본 시스템은 펌프로 순환하는 기질액 사이에 필터 형태의 효소 고정 입자들을 위치시켜 빠르고 효율적인 반응이 일어나도록 한 것이다. 반응기의 필터에 위치한 규조류 복제 파티클들은 넓은 표면적으로 빠른 유속을 느리게 하여 짧은 시간 동안 반응이 충분히 일어날 수 있게 한다 [38].

상기 기술한 방법들은 약 10만 여종에 달하는 다양한 규조류에 대해 공통적으로 적용될 수 있어서, 만약 연구자가 적합한 규조류를 선정하여 템플릿으로 사용한다면 목적에 맞는 고차 구조의 금속 입자를 손쉽게 얻어낼 수 있을 것이다.

4.2. Metal-oxide complex

금속 산화물은 외부 에너지 유입에 따라 전자를 방출시켜 고에너지를 갖는 전자-정공 쌍 (electron-hole pair)을 형성하고 산화-환원반응을 유도하는 특성이 있어서 [39], 연료 감응형 태양전지 (DSSC; Dye-Sensitized Solar Cell)나 수질오염원 처리를 위한 광촉매제의 개발에 응용되고 있다. 다양한 금속 산화물들은 서로 비슷한 결정 구조를 갖고 있음에도 불구하고 전도성 (eg. 도체, 반도체, 부도체 초전도체, 압전체), 광학적 성질, 자성 (자성체, 자기저항성) 등에서 다양한 특성 차이를 보이며, 동일한 금속 산화물 사이에서도 미세 구조의 형태에 따라 특성이 다르게 나타난다. 따라서, 현재, 고집적 반도체, 고용량 배터리 및 효과적인 광촉매 등의 금속 산화물이 적용되는 분야의 개발을 위해 적합한 금속 산화물을 선정하고 우수한 물성을 나타내는 미세 구조를 구현하는 것이 중요한 연구 주제로 고려되고 있으며, 이를 위해, 넓은 표면적을 갖는 박막 (thin-film) 이나 다공성 구조체 및 나노입자 등의 형태가 주로 적용되고 있다.

한편, 규조류는 천연의 다공성 구조체이며 실리카로 구성되어서 넓은 표면적을 제공함과 동시에 빛을 투과하는 성질을 갖는다. 규조류의 껍질은 금속 산화물 표면 상에 대한 광자 (photon)의 도달을 저해하지 않으며, 규조류 표면의 미세구멍들은 빛을 모으는 안테나 역할을 하거나 산란 또는 반사시켜서 광촉매의 활성에 도움이 되는 광학적 성질을 나타낸다 [40,41]. 이러한 규조류의 껍질의 광학적 특성을 활용한 반도체나 센서 소자에 대한 활용 방안이 활발히 연구되고 있다.

금속 산화물 중에는 실리카 분자와 교차 배열하여 성질이 달라지는 경우도 있다. 대표적으로, 게르마늄 산화물 (GeO2)은 분자구조 상에 실리카와 동시에 배열되어 있을 시 강한 푸른색 빛을 발광하는 성질이 있고, 비전도성과 전도성을 동시에 띄는 성질이 있어서 optoelectronic나 반도체 분야에 고루 쓰이는 금속이다 [42,43]. Sandhage는 고차 구조의 게르마늄 산화물을 얻기 위해 규조류 껍질을 활용한 사례를 발표하였다. 연구팀은 규조류 껍질을 마그네슘 가스와 함께 4시간 동안 900oC에서 가열시켰고 3차구조의 변형 없이 부분적으로 규조류 기반 마그네슘 나노입자를 만들 수 있었다 [44]. 하지만, 가열건조시켜 만드는 방법은 규조류 표면의 silicon oxide를 Ge 원소로 교환을 통한 방법이므로 중량대비 높은 효율의 금속나노입자를 얻기 어렵고 외각 표면의 미세구조 파괴를 피하기 어렵다는 단점이 있다.

이를 극복하기 위해 Rorrer, L. G. 그룹 (2008)은 살아있는 규조류 (Pinnularia sp.)에 게르마늄 입자를 고정시키는 방법을 개발하였다 (그림 5) [45]. 이 방법은 규조류가 silicon 의존적으로 DNA 복제를 시작한다는 원리를 이용하여 silica starvation에 의해 세포분열을 조절하는 것이다 [46]. 이 방법은 두 단계로 나뉜다. stage1; 초기 배양액에 포함된 silicic acid를 모두 소진하며 일정 수에 도달한 규조류 세포는 starvation 단계를 거친다. stage2; starvation 후 다시 게르마늄 전구체와 실리카 전구체를 배양액 상에 동시에 공급해 주었을 때, 규조류가 Si transporter를 통해 Si를 흡수할 때 동시에 Ge이온을 흡수한다. Rorrer 그룹은 이 방법 (two stage metabolic insertion)에 의한 게르마늄 금속 이온의 대사적 흡수로 온화한 배양조건에서 규조류의 손상 없이 생물유래 금속나노입자를 만들 수 있었다. Rorrer 연구팀이 개발한 규조류를 이용한 대사적 흡수 방법은 TiO2 같은 광촉매성 금속 산화물의 제작에도 적용되었다.


Fig. 5.  
Production of biogenic metal oxide particles by metabolic insertion. In starvation step (silica depletion), diatom growth was stalled, then biogenic metal oxide frustule was formed when silica sources was resupplied with metal precursor at the same time.

금속 산화물의 주요 활용 분야인 광촉매는 자외선이나 가시광선의 조사 후 방출되는 전자와 그로 인해 생성된 정공(h+)의 산화에 의해 산화분해력이 높은 히드록시라디칼 (OH)을 발생시키고, 이것이 유기화합물이나 바이러스 등을 산화분해하는 원리로 작동한다. 광촉매 중 TiO2는 내산성과 내알카리성이 우수하고 인체에 무해하여 가장 많이 사용되고 있으며, 유기염소계 화합물 (TCE, PCE 등) 혹은 BTEX (Benzene, Toluene, Ethyl Benzene, Xylene)와 같이 수질 오염을 유발하는 고농도 난분해성 물질의 처리에 가장 많이 적용되고 있다 [47,48]. 하지만, 수질 정화에서 광촉매 입자의 효율성을 높이기 위해 TiO2 입자를 나노입자 형태로 사용하면 입자간 상호작용에 의한 엉김 현상이 발생하여 오염물과 접촉하는 표면적을 크게 하락되고 나노입자의 특성상 회수에 의한 재사용이 어려워져 수질 정화의 효율 및 경제성이 떨어지는 현상이 발생한다. 연구자들은 이러한 광촉매 나노입자의 문제점을 해결하기 위해 표면 고정화 수단을 고려하고 있다. 규조류 템플릿 기반의 광촉매 입자는 오염물과의 넓은 접촉면적을 가지며 광 투과성까지 있으므로 효율적 광촉매 제작을 위한 대안이 될 수 있다.

Rorrer 연구팀은 펩타이드 종류인 PLL (poly L lysine)을 이용하여 in vitro 상에서 Pinnularia 종에 티타늄 전구체 TiBALDH (titanium (IV) bis(ammoniumlactacodihydroxide))를 표면에 도입 (deposit)하는 연구를 하였다. 펩타이드에 의해 규조류 껍질 표면에 도입된 티타늄 전구체는 TiO2 형태로 결합되며 잇따른 열처리 과정 (680oC에서 2시간)에 의해 TiO2 결정구조에서 광촉매 활성에 중요한 anatase 상을 갖게 된다. TiO2 함량은 1.32 g TiO2/g SiO2 frustule 비율로 얻어졌다.

Rorrer 연구팀은 다음으로 게르마늄 산화물 입자를 제작했을 때 사용되었던 대사적인 금속이온 흡수 방법을 이용하여 TiO2 입자를 생산하였다 [49]. 1차 배양으로 실리카 소스가 고갈된 상황에서 starvation 후 2차 배양에 고체 상태의 Ti(OH)4를 산성 용액에 녹인 티타늄 전구체와 염기성의 실리카 전구체를 배양액 상에서 동시 공급해 주는 방식으로 대사적인 Ti 이온 흡수를 유발하였다. 배양 결과 2.3 g Ti/100g SiO2의 비율로 TiO2 입자를 얻을 수 있었다. 본 연구에서 Rorrer 연구팀은 대사적 흡수를 위한 티타늄의 전구체로 Ti(OH)4를 사용했지만 이와 달리 TiBALDH를 Thalassiosira weissflogii 종에 사용하여 대사적으로 TiO2 입자를 제작한 사례도 발표되었다 [50].

대사적 흡수 방법으로 금속 산화물 입자를 생산하는 방식은 기존의 물리, 화학적 기법 (eg. physical vapor deposition (PVD), chemical vapor deposition (CVD), ion implantation, sol-gel법, dip coating, spray coating)등에 비해 실리카 질량 대비 고정된 금속의 비율이 높지 못한 편이다. 하지만, 본 방법의 장점인, 첫째, 온화한 배양액 조건에서 TiO2 합성이 가능하다는 것과, 둘째, 제조과정 중 값비싼 화학공정을 필요로 하지 않는다는 점, 셋째, 규조류 세포의 대량배양을 통해 많은 양의 금속 산화물 입자를 얻을 수 있다는 점들은 본 방법이 약간의 개량을 통해 충분히 활용될 가치가 있음을 말해준다.

4.3. Sensor

현대 나노기술의 집약체인 센서는 온도나 빛 등의 물리 에너지의 탐지에서부터 식품 및 위생 측정의 현장 적용에 이르기까지 다양한 분야에 활용되고 있다. 특히, 바이오 프로브를 활용한 바이오 센서는 임신, 당뇨 등의 진단 분야뿐만 아니라 난치성 질병의 조기 진단 및 환자의 예후 진단 같은 의료분야의 필수 진단 도구로 자리잡아 가고 있다. 현장에서 사용되는 센서는 낮은 분석물질의 농도에 반하여 상대적으로 높은 비특이적 신호를 줄여야 하고 체내 삽입 시 생체 친화성을 고려해야 하는 등의 문제점에 노출되어 있기 때문에, 검출 프로브의 성능과 밀도를 높이고, 비특이적 결합을 줄이는 등의 지속적인 개량을 위한 연구가 필요한 상황이다. 연구자들은 규조류 껍질이 가지는 다공성 구조 및 빛을 투과시키는 성질과 고유의 발광 패턴 같은 광학적 특성에 주목했고, 이것을 기존의 플랫폼에 적용하여 이상적인 센서를 제작하는 연구를 수행하였다.

규조류 껍질을 이용한 초기 형태의 센서는 다공성을 이용한 NO2 기체의 포집과 정량 분석용으로 개발되었다. 실리카로 이루어진 규조류 껍질은 고유의 발광 (PL; photoluminescence) 특성을 지니는데, 이것이 NO2 기체를 흡수할 경우 친 전자성인 NO2에 의해 실리카 구조의 전자가 영향을 받아 발광 현상이 억제된다. 이와 같은 원리를 이용하여 Stefano 연구팀은 Thalassiosira Rotula 종 및 Coscinodiscus Wailesii 종을 대상으로 NO2 검출 센서를 개발하였다 [51].


Fig. 6.  
Application of the diatom frustule for antibody-based sensor development. (A) Antibody was immobilized on the diatom surface by chemical cross-linking method. Using this matrix, the detection of antigen is possible by measuring a variation of photo-luminescence intensity. (B) Enhancement of the sensitivity of antibody-based sensor via hierarchical pore structures on frustule. Diatom's nano pore can reduce non-specific interaction effects in antigen-antibody binding.

한편, 전통적인 바이오센서의 분석 도구인 항체 (Antibody)를 규조류 껍질의 구조적 및 광학적 특성에 접목시키려는 연구도 시도되었다. Stefano 연구팀은 Coscinodiscus concinnus 종의 껍질에 항체를 화학적으로 고정시킨 후, 항원-항체 반응을 유발하여 규조류의 발광 스펙트럼이 변화함을 증명하였다[40]. 또한, Gale 연구팀은 Cyclotella 종을 대상으로 항체를 고정하여 청색 파장대의 발광 변화를 정량 분석하였다 [52].

항체와 규조류를 이용한 센서 중 규조류의 다공성 구조에 기인한 필터 능력의 활용에 초점을 맞춘 사례도 있다. Lin 연구팀은 중심규조목에 속하는 원반 모양의 Coscinodiscus 종을 선택하고 센서 전극 위에 배치시킨 후 항원-항체 반응을 일으켜 높은 감도의 검출 능력을 이끌어 내었다 [53]. Coscinodiscus표면 구조는 커다란 구멍 내에 작은 것이 반복되는 프랙탈 구조로 이루어져 있으며 최소 구경은 약 40 nm이다. 이론적으로, 센서 표면의 각 항체 프로브는 규조류 표면 구멍에 일치하는 크기로 배열되게 되고, 이에 따라 검출 물질 외의 비특이적 결합 반응을 줄일 수 있어서 잡음 비율이 줄어들게 되어 검출감도가 높아지는 방식이다.

4.4. Drug delivery

약물 전달은 단일 분자 약물 투여로 유발될 수 있는 부작용을 줄이고 표적 부위에 대한 효과를 특이적으로 높이기 위한 수단으로써 많은 연구가 진행 되었다. 단일 분자 상태의 약물을 직접 투여하는 것은 약물 동력학적 관점으로 보았을 때 빠른 체외 배출 및 약물이 간이나 신장 등의 특정 장기에만 체류하는 현상이 관찰되기 때문에 표적 특이적인 전달과 약물의 노출 시간을 늘리기 위한 시스템의 개발이 활발히 연구되고 있다.

현재, 약물 전달체는 폴리머 및 다공성 실리카 매트릭스 등을 기반으로 제작되어 특정 세포에 대한 약물 분비 기간을 늘리는 방향으로 활발히 연구되는 중이다. 이러한 약물전달 패턴을 위해서는 약물을 적정량 보관할 수 있는 내부용량과 서서히 분비시킬 수 있는 다공성 구조가 중요한 요소인데, 최근 들어 이를 가능케 하는 새로운 전달체의 발굴이 활발히 진행되고 있다. 한편, 자연계에 널리 존재하는 다양한 규조류들은 종마다 특징적인 나노 사이즈의 구멍을 갖는 다공성 표면을 제공하기 때문에, 넓은 담지 용량이 중요한 약물 전달체의 대체 물질로써 관심이 모아지고 있다. 또한, 규조류의 껍질은 실리카 기반의 생체 친화적인 소재이며 기능기 도입을 위한 표면 개질이 수월하기 때문에 체내 삽입용 매트릭스 소재로서의 가능성도 기대되고 있다.

현재까지 규조류를 대상으로한 약물전달 연구는 기존 실리카 소재 기반 연구의 연장선에 있으며 전달체로의 가능성 정도만 확인한 단계이다. Losic 연구팀은 규조류 표면에 도파민 처리된 산화철입자를 고정시켜 자성을 띈 약물 전달체 개발을 진행하였다. 산화철 입자에 의한 자성은 규조류 기반 약물전달체의 분리 및 정제를 수월하게 만든다. 연구팀은 자석을 이용해 분리된 규조류로부터 도파민이 분비되는 정도를 측정하였다. 비록, 실험상에서 도파민이 분비되는 정도는 1일내에 70% 정도써 지속적 약물 분비가 필요한 약물전달체용으로 부적절하였지만, 약물 담지용 규조류를 적합한 종으로 선정하거나 폴리머 등을 이용한 외부 코팅으로 약물 분비 속도를 조절하는 등의 추가 개량을 한다면 규조류 기반의 이상적인 자성 약물전달체 개발이 가능해질 것이다 [54]. 이어서 Losic 연구팀은 값싼 재료인 규조토를 대상으로 친수성 및 소수성 표면 처리를 하여 물에 녹지 않는 약물 (water-insoluble drugs)인 Ind의 담지 능력을 측정하였다. 규조류 껍질 표면에 친수성 그룹 도입을 위해 각각 3-aminopropyltriethoxy silane (APTES), N-(3-(trimethoxysilyl) propyl) (AEAPTMS) 및 2-carboxyethyl-phosphonic acid (2-phos)를 처리하였고 소수성 표면을 위해 16-phosphono-hexadecanoic acid (16-phos)를 처리하였다. 약물 담지 효과는 AEAPTMS 처리한 규조토에서 가장 높게 나타났으며 다음으로 2-phos > APTES > bare-DE> 16-phos 순으로 나타났고 약물 분비는 6~15일간 지속되는 것으로 관찰되었다. 연구팀은 소수성 규조토에서 가장 낮은 약물 담지 효과가 나타난 것은 소수성 약물이 흡착되는 것에 비해 분비되는 속도가 빠르기 때문인 것으로 해석하였다 [55].

캐나다의 Manitoba 대학 Gordon 박사는 미래형 약물 전달체로써 규조류 기반의 전달체를 능동적 로봇형으로 발전 시킬 몇 가지 방안을 제시하고 있다. 우선, 규조류를 실리카 캡슐로 활용하여 내부에 약물을 담지하고 금속입자 도입으로 인한 자성 부여로 분리 정제가 수월하게 한다. 다음으로, 표적에 대한 유도를 위해 표적 특이적인 affinity 분자를 표면에 고정 시킨다. 마지막으로 표적까지 능동적으로 나아가게 하는 동력발생을 위해 박테리아의 편모를 이용한다. 전달체 말단에 부착된 박테리아 편모들은 추진력을 발생시킬 수 있다. 편모는 포도당을 원료로 움직이기 때문에 별도의 에너지 공급이 어려운 상황에서 규조류 기반 미세 로봇의 추진체로 적합할 것이다. 다만, 박테리아의 편모는 체내에서 강한 면역반응을 일으킬 수 있기 때문에, Gordon 박사가 제시한 청사진대로 활용하기 위해서는 아직 해결해야 할 숙제가 많아 보인다 [56].

규조류를 이용한 나노공학적 활용은 충분히 가치가 있지만 그에 대한 연구는 아직 초기 단계에 머물러 있다. 규조류의 활용 사례는 금속 나노입자 형성을 위한 뼈대나 센서, 약물전달의 캡슐 등으로 규조류 껍질 자체를 ‘천연 실리카 소재’로 활용한 경우들이다. 규조류는 종마다 특이적인 구조를 가지고 있지만 천연 소재로써 적합한 종을 찾으려면 우선 세포모양의 특징화 연구가 더 진행되어야 할 것이다. 아울러, 궁극적으로는 규조류 유전자의 완벽한 이해를 통해 용도에 맞도록 규조류의 표현형 (phenotype)을 재구축하는 환원주의적 접근법까지 고려되어야 할 것이다. 다음 설명할 부분은 규조류의 기능 변화를 위해 유전자 조작을 이용한 사례이다.


5. Genetic Modification and Future Application

지구 대부분의 수생 환경에 서식하는 규조류는 다양한 종의 수만큼이나 특이적인 성질로 학술 연구 (eg. 대기 중 이산화탄소 고정 효과, 2차 공생관계에 대한 진화론적 연구) 및 규조류를 이용한 유용물질 생산이나 실리카 기반의 구조물 연구의 대상이 되었다 [57]. 이러한 연구들을 수월하게 수행하기 위해 규조류에 대한 유전자 서열의 해석이 필요해졌고, Thalassiosira pseudonana 종과 Phaeodactylum tricornutum 종의 서열이 최초로 분석되었다 [58,59]. 규조류 종의 서열이 점점 밝혀짐에 따라 연구자들은 규조류에 분자유전학 기법들을 도입하는 연구를 시작했고 P. tricornutum[60], C. fusiformis[61], Navicula saprophila 및 Cyclotella cryptica [62], Pseudonana[63] 종에서 안정적인 유전적 형질전환이 가능하게 되었다.

규조류의 형질전환은 실리카 기반의 무기소재에 효소나 binding motif 등의 기능성 분자 도입을 자동적으로 수행하며 유전적 변이가 일어난 규조류 종을 배양 및 유지시킴으로써 반영구적으로 복제 생산이 가능하다는 점에서 규조류 기반나노공학의 강력한 도구가 될 수 있다. N. Kröger 연구팀은 살아있는 규조류의 실리카 껍질에 산화환원효소들을 발현시키는 연구를 수행하였다 [64]. 우선, 연구팀은 대장균에서 발현되는 β-glucuronidase (GUS) 효소의 유전자를 규조류의 실리카 고정에 중요한 역할을 하는 단백질인 silaffin tpSil3 서열 사이에 위치시키고 Pnr2/Tnr2 expression cassette 기능을 보유한 플라스미드 (pTpNR) 사이에 넣은 후 규조류 세포 내로 전달하였다. 결과적으로 GUS는 Pnr2/Tnr2 expression cassette 유전자의 기능에 의해 암모늄 이온이 존재할 경우 발현이 억제되며, 질산염 이온이 존재할 경우 발현이 진행되어 활성을 나타낸다 (그림 7). 또한, N. Kröger 연구팀은 같은 방식으로 규조류 껍질의 girdle band (껍질의 옆 테두리면) 형성에 특이적으로 관여하는 Cingulin 단백질의 유전자와 GFP 유전자를 융합하여 T. pseudonana 종의 girdle band에만 제한적으로 발현되는 나노 패터닝 시스템을 구축하였다 [65].

한편, 무기질인 실리카에 기능기를 도입하는 연구와 더불어, 유전자 조작으로 외형과 구멍 사이즈를 인공적으로 변형시켜 ‘맞춤 제작형 규조류 껍질’을 생산하기 위한 연구 방향이 검토되고 있다. 하지만, 이를 위해서는 규조류의 각 유전자가 구조 형성에 미치는 상관관계에 대한 높은 이해를 요하며 궁극적으로 실라핀 (silaffin)과 같은 단분자의 역할을 넘어 껍질 형성 매커니즘을 완전히 이해하기 위해선 앞으로 많은 연구가 진행되어야 할 것이다.


Fig. 7.  
Introduction of redox enzyme on the living diatom's frustule by genetic engineering. β-glucuronidase (GUS) was expressed in the presence of NO3 - under the Pnr2/Tnr2 gene expression cassette, then it was immobilized on the silica frustule newly synthesized through SDV.

Gordon 박사는 원하는 모양의 규조류 껍질을 얻기 위한 수단으로 임의적인 돌연변이를 통해 유용한 구조의 규조류를 스크리닝하는 시스템을 제안한 바 있다 [8]. 이 방법은 규조류의 배양 중 일부를 지속적으로 채집하여 미생물의 random mutation에 적용되는 방법인 자외선 조사 또는 화학 처리를 통한 규조류의 돌연변이 유발로 외형에 변화를 일으키는 종을 생산하고 컴퓨터 프로세서 기반 (compustat)의 현미경 추적으로 반응조 내부의 각 개체들 외형을 구별하는 것이다. 이와 동시에, 기대와 일치하지 않는 종을 레이져 및 자외선으로 제거하고 남은 종을 지속적으로 배양 함으로써 미리 입력된 기준에 근접한 세포를 스크리닝할 수 있다. Gordon에 의해 제시된 이 아이디어는 매혹적이나 이것이 실현화 되어 규조류 기반의 무기소재 개발에 기여하기 위해서는 많은 선행 연구가 필요할 것이다.


6. 결론

지구상에 풍부하게 존재하는 규조류는 미세조류의 일종으로써 광합성을 하는 단세포 수생생물이며 규소 성분의 무기물 껍질을 가진 독특한 개체이다. 규조류가 사멸하고 남은 껍질은 오래 전부터 규조토 (Diatomite)라는 퇴적물 형태로 발견 되었고 다공성 표면에 의한 높은 흡착 성능이 밝혀짐에 따라, 값싼 흡착재료로써 수질 개선을 위한 필터링 분야에 주로 응용되어 왔다. 또한, 규조류를 미세조류로써 활용한 생물 연료의 생산이나 수질 측정의 지표 등의 환경생물소재로써 활용성 연구도 진행되었다. 최근에는 일반 미세조류에 비해 규조류가 가지는 차이점인 다공성 실리카 껍질 및 나노 사이즈의 계층적 구멍 구조와 그로 인한 넓은 표면적 특성에 중점을 두어 규조류의 껍질을 기존의 화학적 합성 방법으로 모사하기 어려운 고차구조의 무기소재로써 활용하려는 연구가 활발히 진행 중이다. 규조류를 템플릿으로 한 나노 구조의 금속 입자나 금속 산화물의 제작 방법이 화학적, 생물학적 방법을 동원하여 다양하게 개발되고 있으며 이러한 입자들은 고집적 구조가 필요한 다양한 전기화학 및 광전자 기반 기술 (eg. 연료 감응형 태양전지, 배터리, 반도체, NO2 센서, 바이오센서 등)에 대해 적용되어 실용 가능성이 연구되고 있다. 또한, 최근 임플란트 같은 의학 분야에서 무독성 및 재생가능 실리카 (silica) 기반 생물재료들에 대한 관심이 뜨거워지며 규조류의 가치가 재평가되고 있다. 현재, 규조류 껍질의 의학 분야 응용을 위해, 규조류 껍질의 표면 개질을 통한 약물 담지 또는 자성 컨트롤이 가능한 마이크로 스케일의 약물 전달체 개발 등의 기초 실험이 진행 중이다.

규조류를 이용한 나노공학적 활용은 충분히 가치가 있지만 구체적인 활용 방안에 대한 연구는 아직 가능성 확인 단계에 머물러 있다. 규조류는 종마다 특이적인 구조를 가지고 있지만 천연 소재로써 적합한 종을 선별하여 활용 분야에 대한 특이성을 높이려면 우선 세포 모양의 특징화 연구가 더 진행되어야 할 것이다. 이러한 맞춤 제작형 규조류를 제작하기 위해서, 기존 규조류 유전자의 엔지니어링을 통해 기존 형질을 개선하는 방법이 근본적인 해결책이 될 수 있다. 이에 따라, 몇몇 규조류를 대상으로 유전자를 도입하는 방식이 개발되었고, 이를 이용한 규조류 껍질 내 효소 도입 방법이 개발되었다.

규조류의 활용 가치를 더 높이기 위해서는 아직 연구되어야 할 부분이 많아 보인다. 하지만, 규조류 기반의 생물유래 무기소재가 가지는 다공성, 빛 투과성 및 입자의 균일함, 껍질 내부 공간 등의 구조적 이점은 다른 화학적 합성에 기반한 실리카 소재가 모사할 수 없는 부분이다. 향후 이러한 특성을 고려한 화학적, 생물학적, 유전적 연구가 지속적으로 수행된다면, 규조류가 기존 기술의 한계를 극복할 수 있는 핵심 환경 및 무기 소재로써 널리 활용될 수 있을 것이다.


Acknowledgments

본 연구는 환경부에서 주관하고 환경산업기술원에서 시행한 토양·지하수오염방지기술개발사업 “GAIA Project”의 지원 (과제번호 173111041)과 해양수산부 재원인 한국해양과학기술진흥원의 지원을 받아 수행된 연구임 (해양바이오산업신소재 기술개발).


References
1. Field, C. B., M. J. Behrenfeld, J. T. Randerson, and P. Falkowski, (1998), Primary production of the biosphere: integrating terrestrial and oceanic components, Science, 281, p237-240, [https://doi.org/10.1126/science.281.5374.237] .
2. Grachev, M. A., V. V. Annenkov, and Y. V. Likhoshway, (2008), Silicon nanotechnologies of pigmented heterokonts, BioEssays: news and reviews in molecular, cellular and developmental biology, 30, p328-337.
3. Round, F. E., (1990), Diatom Communities - Their Response to Changes in Acidity, Philos. T Roy. Soc. B, 327, p243-249, [https://doi.org/10.1098/rstb.1990.0059] .
4. Alverson, A. J., J. J. Cannone, R. R. Gutell, and E. C. Theriot, (2006), The evolution of elongate shape in diatoms, J. Phycol, 42, p655-668, [https://doi.org/10.1111/j.1529-8817.2006.00228.x] .
5. Treguer, P., D. M. Nelson, A. J. Vanbennekom, D. J. Demaster, A. Leynaert, and B. Queguiner, (1995), The silica balance in the world Ocean - a Reestimate, Science, 268, p375-379, [https://doi.org/10.1126/science.268.5209.375] .
6. Hildebrand, M., B. E. Volcani, W. Gassmann, and J. I. Schroeder, (1997), A gene family of silicon transporters, Nature, 385, p688-689, [https://doi.org/10.1038/385688b0] .
7. Drum, R. W., and H. S. Pankratz, (1964), Post mitotic fine structure of Gomphonema Parvulum, J. Ultra Mol. Struct. R, 10, p217-223, [https://doi.org/10.1016/S0022-5320(64)80006-X] .
8. Parkinson, J., R. Gordon, (1999), Beyond micromachining: the potential of diatoms, Trends Biotechnol, 17, p190-196, [https://doi.org/10.1016/S0167-7799(99)01321-9] .
9. Hecky, R. E., K. Mopper, P. Kilham, and E. T. Degens, (1973), Amino-Acid and Sugar Composition of Diatom Cell-Walls, Mar. Biol, 19, p323-331, [https://doi.org/10.1007/BF00348902] .
10. Shimizu, K., J. Cha, G. D. Stucky, and D. E. Morse, (1998), Silicatein alpha: Cathepsin L-like protein in sponge biosilica, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 95, p6234-6238.
11. Kroger, N., C. Bergsdorf, and M. Sumper, (1994), A new calciumbinding glycoprotein family constitutes a major diatom cell-wall component, Embo. J, 13, p4676-4683.
12. Kroger, N., R. Deutzmann, and M. Sumper, (1999), Polycationic peptides from diatom biosilica that direct silica nanosphere formation, Science, 286, p1129-1132, [https://doi.org/10.1126/science.286.5442.1129] .
13. Sumper, M., (2004), Biomimetic patterning of silica by long-chain polyamines, Angew. Chem. Int. Edit, 43, p2251-2254, [https://doi.org/10.1002/anie.200453804] .
14. Borowitzka, M. A., (1992), Algal biotechnology products and processes - Matching science and economics, J. Appl. Phycol, 4, p267-279, [https://doi.org/10.1007/BF02161212] .
15. Dunahay, T. G., E. E. Jarvis, S. S. Dais, and P. G. Roessler, (1996), Manipulation of microalgal lipid production using genetic engineering, Appl. Biochem. Biotechnol, 57-8, p223-231, [https://doi.org/10.1007/BF02941703] .
16. Tonon, T., D. Harvey, T. R. Larson, and I. A. Graham, (2002), Long chain polyunsaturated fatty acid production and partitioning to triacylglycerols in four microalgae, Phytochemistry, 61, p15-24, [https://doi.org/10.1016/S0031-9422(02)00201-7] .
17. Lebeau, T., and J. M. Robert, (2003), Diatom cultivation and biotechnologically relevant products. Part II: Current and putative products, Appl. Microbiol. Biot, 60, p624-632, [https://doi.org/10.1007/s00253-002-1177-3] .
18. Lebeau, T., and J. M. Robert, (2003), Diatom cultivation and biotechnologically relevant products. Part I: Cultivation at various scales, Appl. Microbiol. Biot, 60, p612-623, [https://doi.org/10.1007/s00253-002-1176-4] .
19. Evenson, W. E., S. R. Rushforth, J. D. Brotherson, and N. Fungladda, (1981), The effects of selected physical and chemical factors on attached diatoms in the uintah basin of Utah, USA, Hydrobiologia, 83, p325-330, [https://doi.org/10.1007/BF00008283] .
20. Leterme, S. C., E. Prime, J. Mitchell, M. H. Brown, and A. V. Ellis, (2013), Diatom adaptability to environmental change: A case study of two Cocconeis species from high-salinity areas, Diatom. Res, 28, p29-35, [https://doi.org/10.1080/0269249X.2012.734530] .
21. Wu, J. T., (1999), A generic index of diatom assemblages as bioindicator of pollution in the Keelung River of Taiwan, Hydrobiologia, 397, p79-87.
22. Watanabe, T., K. Asai, and A. Houki, (1986), Numerical estimation to organic pollution of flowing water by using the epilithic diatom assemblage - Diatom assemblage index (Daipo), Sci. Total Environ, 55, p209-218, [https://doi.org/10.1016/0048-9697(86)90180-4] .
23. Kelly, M. G., and B. A. Whitton, (1995), Trophic diatom index - A new index for monitoring eutrophication in rivers, J. Appl. Phycol, 7, p433-444, [https://doi.org/10.1007/BF00003802] .
24. Sladecek, V., (1986), Diatoms as indicators of organic pollution, Acta Hydroch. Hydrob, 14, p555-566, [https://doi.org/10.1016/0048-9697(86)90180-4] .
25. Passy, S. I., and R. W. Bode, (2004), Diatom model affinity (DMA), a new index for water quality assessment, Hydrobiologia, 524, p241-251, [https://doi.org/10.1023/B:HYDR.0000036143.60578.e0] .
26. Perales-Vela, H. V., J. M. Pena-Castro, and R. O. Canizares-Villanueva, (2006), Heavy metal detoxification in eukaryotic microalgae, Chemosphere, 64, p1-10, [https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2005.11.024] .
27. Vatamaniuk, O. K., S. Mari, Y. P. Lu,., and P. A. Rea, (2000), Mechanism of heavy metal ion activation of phytochelatin (PC) synthase - Blocked thiols are sufficient for PC synthase-catalyzed transpeptidation of glutathione and related thiol peptides, J. Biol. Chem, 275, p31451-31459, [https://doi.org/10.1074/jbc.M002997200] .
28. Fehrmann, C., and P. Pohl, (1993), Cadmium adsorption by the nonliving biomass of microalgae grown in axenic mass-culture, J. Appl. Phycol, 5, p555-562, [https://doi.org/10.1007/BF02184634] .
29. Parida, S. K., S. Dash, S. Patel, and B. K. Mishra, (2006), Adsorption of organic molecules on silica surface, Adv. Colloid. Interfac, 121, p77-110, [https://doi.org/10.1016/j.cis.2006.05.028] .
30. Yu, Y., J. Addai-Mensah, and D. Losic, (2012), Functionalized diatom silica microparticles for removal of mercury ions, Sci. Technol. Adv. Mat, 13, p015008, [https://doi.org/10.1088/1468-6996/13/1/015008] .
31. Losic, D., J. G. Mitchell, and N. H. Voelcker, (2009), Diatomaceous Lessons in Nanotechnology and Advanced Materials, Adv. Mater, 21, p2947-2958, [https://doi.org/10.1002/adma.200803778] .
32. Shingubara, S., (2003), Fabrication of nanomaterials using porous alumina templates, J. Nanopart. Res, 5, p17-30, [https://doi.org/10.1023/A:1024479827507] .
33. Rosi, N. L., C. S. Thaxton, and C. A. Mirkin, (2004), Control of nanoparticle assembly by using DNA-modified diatom templates, Angew. Chem. Int. Edit, 43, p5500-5503, [https://doi.org/10.1002/anie.200460905] .
34. Payne, E. K., N. L. Rosi, C. Xue, and C. A. Mirkin, (2005), Sacrificial biological templates for the formation of nanostructured metallic microshells, Angew. Chem. Int. Edit, 44, p5064-5067, [https://doi.org/10.1002/anie.200500988] .
35. Jeanmaire, D. L., and R. P. Vanduyne, (1977), Surface raman spectroelectrochemistry. 1. heterocyclic, aromatic, and aliphatic-amines adsorbed on anodized silver electrode, J. Electroanal. Chem, 84, p1-20, [https://doi.org/10.1016/S0022-0728(77)80224-6] .
36. Losic, D., J. G. Mitchell, and N. H. Voelcker, (2006), Fabrication of gold nanostructures by templating from porous diatom frustules, New. J. Chem, 30, p908-914, [https://doi.org/10.1039/b600073h] .
37. Bao, Z. H., M. K. Song, S. C. Davis, Y. Cai, M. L. Liu, and K. H. Sandhage, (2011), High surface area, micro/mesoporous carbon particles with selectable 3-D biogenic morphologies for tailored catalysis, filtration, or adsorption, Energ. Environ. Sci, 4, p3980-3984, [https://doi.org/10.1039/c1ee02102h] .
38. Davis, S. C., V. C. Sheppard, G. Begum, Y. Cai, Y. N. Fang, J. D. Berrigan, N. Kroger, and K. H. Sandhage, (2013), Rapid flowthrough biocatalysis with high surface area, enzyme-loaded carbon and gold-bearing diatom frustule replicas, Adv. Funct. Mater, 23, p4611-4620, [https://doi.org/10.1002/adfm.201203758] .
39. Hoffmann, M. R., S. T. Martin, W. Y. Choi, and D. W. Bahnemann, (1995), Environmental applications of semiconductor photocatalysis, Chem. Rev, 95, p69-96, [https://doi.org/10.1021/cr00033a004] .
40. De Stefano, L., L. Rotiroti, M. De Stefano, A. Lamberti, S. Lettieri, A. Setaro, and P. Maddalena, (2009), Marine diatoms as optical biosensors, Biosens. Bioelectron, 24, p1580-1584, [https://doi.org/10.1016/j.bios.2008.08.016] .
41. Park, K. H., H. B. Gu, E. M. Jin, and M. Dhayal, (2010), Using hybrid silica-conjugated TiO2 nanostructures to enhance the efficiency of dye-sensitized solar cells, Electrochim. Acta, 55, p5499-5505, [https://doi.org/10.1016/j.electacta.2010.04.100] .
42. Kanjilal, A., J. L. Hansen, P. Gaiduk, A. N. Larsen, N. Cherkashin, A. Claverie, P. Normand, E. Kapelanakis, D. Skarlatos, and E. Tsoukalas, (2003), Structural and electrical properties of silicon dioxide layers with embedded germanium nanocrystals grown by molecular beam epitaxy, Appl. Phys. Lett, 82, p1212-1214, [https://doi.org/10.1063/1.1555709] .
43. Zacharias, M., and P. M. Fauchet, (1997), Blue luminescence in films containing Ge and GeO2 nanocrystals: The role of defects, Appl. Phys. Lett, 71, p380-382, [https://doi.org/10.1063/1.119543] .
44. Sandhage, K. H., M. B. Dickerson, P. M. Huseman, M. A. Caranna, J. D. Clifton, T. A. Bull, T. J. Heibel, W. R. Overton, and M. E. A. Schoenwaelder, (2002), Novel, bioclastic route to self-assembled, 3D, chemically tailored meso/nanostructures: Shape-preserving reactive conversion of biosilica (diatom) microshells, Adv. Mater, 14, p429-433, [https://doi.org/10.1002/1521-4095(20020318)14:6<429::AID-ADMA429>3.0.CO;2-C] .
45. Jeffryes, C., T. Gutu, J. Jiao, and G. L. Rorrer, (2008), Two-stage photobioreactor process for the metabolic insertion of nanostructured germanium into the silica microstructure of the diatom Pinnularia sp, Mat. Sci. Eng. C-Bio. S, 28, p107-118, [https://doi.org/10.1016/j.msec.2007.01.002] .
46. Darley, W. M., and B. E. Volcani, (1969), Role of silicon in diatom metabolism. a silicon requirement for deoxyribonucleic acid synthesis in diatom cylindrotheca-fusiformis Reimann and Lewin, Exp. Cell Res, 58, p334-342, [https://doi.org/10.1016/0014-4827(69)90514-X] .
47. Mascolo, G., R. Ciannarella, L. Balest, and A. Lopez, (2008), Effectiveness of UV-based advanced oxidation processes for the remediation of hydrocarbon pollution in the groundwater: A laboratory investigation, J. Hazard Mater, 152, p1138-1145, [https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2007.07.120] .
48. Farooq, M., I. A. Raja, and A. Pervez, (2009), Photocatalytic degradation of TCE in water using TiO2 catalyst, Sol. Energy, 83, p1527-1533, [https://doi.org/10.1016/j.solener.2009.04.009] .
49. Jeffryes, C., T. Gutu, J. Jiao, and G. L. Rorrer, (2008), Metabolic insertion of nanostructured TiO2 into the patterned biosilica of the diatom pinnularia sp by a two-stage bioreactor cultivation process, Acs. Nano, 2, p2103-2112, [https://doi.org/10.1021/nn800470x] .
50. Lang, Y., F. del Monte, B. J. Rodriguez, P. Dockery, D. P. Finn, and A. Pandit, (2013), Integration of TiO2 into the diatom Thalassiosira weissflogii during frustule synthesis, Sci. Rep-Uk, 3, p3205, [https://doi.org/10.1038/srep03205] .
51. Bismuto, A., A. Setaro, P. Maddalena, L. De Stefano, and M. De Stefano, (2008), Marine diatoms as optical chemical sensors: A timeresolved study, Sensor Actuat B-Chem, 130, p396-399, [https://doi.org/10.1016/j.snb.2007.09.012] .
52. Gale, D. K., T. Gutu, J. Jiao, C. H. Chang, and G. L. Rorrer, (2009), Photoluminescence detection of biomolecules by antibody-functionalized diatom biosilica, Adv. Funct. Mater, 19, p926-933, [https://doi.org/10.1002/adfm.200801137] .
53. Lin, K. C., V. Kunduru, M. Bothara, K. Rege, S. Prasad, and B. L. Ramakrishna, (2010), Biogenic nanoporous silica-based sensor for enhanced electrochemical detection of cardiovascular biomarkers proteins, Biosens. Bioelectron, 25, p2336-2342, [https://doi.org/10.1016/j.bios.2010.03.032] .
54. Losic, D., Y. Yu, M. S. Aw, S. Simovic, B. Thierry, and J. Addai- Mensah, (2010), Surface functionalisation of diatoms with dopamine modified iron-oxide nanoparticles: toward magnetically guided drug microcarriers with biologically derived morphologies, Chem. Commun, 46, p6323-6325, [https://doi.org/10.1039/c0cc01305f] .
55. Aw, M. S., M. Bariana, Y. Yu, J. Addai-Mensah, and D. Losic, (2013), Surface-functionalized diatom microcapsules for drug delivery of water-insoluble drugs, J. Biomater, Appl(28), p163-174, [https://doi.org/10.1177/0885328212441846] .
56. Gordon, R., D. Losic, M. A. Tiffany, S. S. Nagy, and F. A. S. Sterrenburg, (2009), The glass menagerie: diatoms for novel applications in nanotechnology, Trends Biotechnol, 27, p116-127, [https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2008.11.003] .
57. Poulsen, N., and N. Kroger, (2006), Molecular genetic approaches to studying silica biomineralization in diatoms, J. Phycol, 42, p6-6.
58. Armbrust, E. V., J. A. Berges, C. Bowler, B. R. Green, D. Martinez, N. H. Putnam, S. G. Zhou, A. E. Allen, K. E. Apt, M. Bechner, et al. , (2004), The genome of the diatom Thalassiosira pseudonana: Ecology, evolution, and metabolism, Science, 306, p79-86, [https://doi.org/10.1126/science.1101156] .
59. Montsant, A., K. Jabbari, U. Maheswari, and C. Bowler, (2005), Comparative genomics of the pennate diatom Phaeodactylum tricornutum, Plant Physiol, 137, p500-513, [https://doi.org/10.1104/pp.104.052829] .
60. Apt, K.E., P. G. Kroth-Pancic, and A. R. Grossman, (1997), Stable nuclear transformation of the diatom Phaeodactylum tricornutum, Phycologia, 36, p3-3.
61. Fischer, H., I. Robl, M. Sumper, and N. Kroger, (1999), Targeting and covalent modification of cell wall and membrane proteins heterologously expressed in the diatom Cylindrotheca fusiformis (Bacillariophyceae), J. Phycol, 35, p113-120, [https://doi.org/10.1046/j.1529-8817.1999.3510113.x] .
62. Dunahay, T. G., E. E. Jarvis, and P. G. Roessler, (1995), Genetic transformation of the diatoms Cyclotella cryptica and Navicula saprophila, J. Phycol, 31, p1004-1-012, [https://doi.org/10.1111/j.0022-3646.1995.01004.x] .
63. Poulsen, N., P. M. Chesley, and N. Kroger, (2006), Molecular genetic manipulation of the diatom Thalassiosira pseudonana (Bacillariophyceae), J. Phycol, 42, p1059-1065, [https://doi.org/10.1111/j.1529-8817.2006.00269.x] .
64. Sheppard, V. C., A. Scheffel, N. Poulsen, and N. Kroger, (2012), Live diatom silica immobilization of multimeric and redox-active enzymes, Appl. Environ. Microb, 78, p211-218, [https://doi.org/10.1128/AEM.06698-11] .
65. Scheffel, A., N. Poulsen, S. Shian, and N. Kroger, (2011), Nanopatterned protein microrings from a diatom that direct silica morphogenesis, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 108, p3175-3180, [https://doi.org/10.1073/pnas.1012842108] .
66. Bradbury, J., (2004), Nature's nanotechnologists: Unveiling the secrets of diatoms, Plos Biol, 2, p1512-1515, [https://doi.org/10.1371/journal.pbio.0020306] .