01년 2024월 XNUMX일 (나노 워크 스포트라이트) 늘어나는 환경 문제에 직면한 전 세계 과학자들은 지속 가능한 솔루션을 찾고 있습니다. 살아있는 유기체를 통합한 복합재료인 공학적 살아있는 재료는 화석 연료 유래 재료에 대한 의존도를 줄이고 살아있는 시스템의 고유한 특성을 활용함으로써 큰 ​​가능성을 제공합니다.

살아있는 유기체를 이용한 재료과학의 혁명

살아있는 재료는 식물, 동물, 미생물이 정상적인 생리의 일부로 기능성 재료를 일상적으로 생산하는 자연계에서 영감을 얻습니다. 예를 들어, 나무는 리그닌 "접착제"로 서로 결합된 단단한 셀룰로오스 섬유로 구성된 목질 조직을 생성하는 반면, 해양 홍합은 수중 접착제를 분비하고 일부 박테리아는 전기를 생성합니다. 이러한 생명체는 합성 물질로는 달성하기 어려운 자가 조립, 자가 치유, 반응성 및 생합성과 같은 독특한 능력을 나타냅니다. 합성 생물학 분야는 유전적 수준에서 유기체를 재프로그램하는 도구를 제공하여 과학자들이 맞춤형 특성을 가진 살아있는 물질을 조작할 수 있도록 합니다. 인공 유전자 회로를 도입함으로써 미생물은 환경의 신호를 감지하고 그에 따라 사용자 정의 제품을 제작하도록 설계될 수 있습니다. 재료 과학자들은 또한 하이드로겔 및 전자 장치와 같은 무생물 구조와 살아있는 부품을 통합하는 방법을 연구하고 있습니다. 그 결과 탄생한 '하이브리드 생활 소재'는 합성 성분의 견고성과 제조 가능성을 통해 유기체의 기능성을 강화하는 것을 목표로 합니다. 현재 몇몇 스타트업들이 초기 생활 소재 기술을 상용화하고 있지만, 기존 소재에 비해 높은 생산 비용과 열등한 기계적 강도 등의 문제로 여전히 어려움을 겪고 있습니다. 그러나 이러한 장애물을 극복할 수 있다면 언젠가는 포장부터 인프라 건설에 이르기까지 다양한 응용 분야에서 지속 가능하지 않은 기존 재료를 생체 재료로 대체할 수 있을 것입니다.

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자연으로부터 배우기: 머티리얼 디자인의 진화적 걸작

살아있는 유기체는 단백질, 다당류 및 미네랄을 사용하여 자연적으로 놀라운 기능성 물질을 생산합니다. 예를 들어, 목본 식물은 리그닌, 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스를 생합성하여 튼튼한 나무 줄기를 만들고, 해양 홍합은 표면에 부착하기 위해 수중 접착 단백질을 분비합니다. 가장 흥미롭게도 이러한 살아있는 물질은 자가 조립 능력, 부상 후 자가 치유 능력, 환경 자극에 적응 능력, 지속적인 자가 재생 능력 등 합성 물질에는 없는 동적 특성을 나타냅니다. 생체모방 재료 분야는 그러한 자연 구조를 모방하는 것을 목표로 하지만 살아있는 특성을 복제하는 것은 여전히 ​​어려운 일입니다. 이제 새로운 접근 방식은 기능성 물질을 생산하기 위한 미생물 "공장" 역할을 하도록 유기체 자체를 조작하는 것입니다. 수십억 년의 진화를 거친 생화학적 합성 전문가로서, 살아있는 세포는 잠재적으로 엄청나게 다양한 맞춤형 생체고분자를 제조할 수 있는 지속 가능한 방법을 제공합니다. 연구자들은 설계에 따라 생명체 시스템을 분류합니다.

• 자기조직적 생활소재: 조작된 박테리아, 곰팡이 또는 포유류 세포와 같은 살아있는 성분으로만 제작되었습니다. 그들은 자연스러운 자가 조립과 환경에 반응하는 행동을 요약하는 것을 목표로 합니다.
• 하이브리드 생활소재: 하이드로겔, 전자기기 등 비생물적 지지체와 생체 구성요소를 융합합니다. 무생물 부품은 제조 가능성을 높이고 내장 유기체의 기능을 강화합니다.

아디다스 컨셉 슈즈 Stan Smith Mylo™는 버섯 유래 소재를 사용합니다. (이미지 : 아디다스)

합성생물학을 활용한 생명체 프로그래밍

합성 생물학이라는 젊은 분야는 모듈화, 표준화 및 모델링 원칙을 사용하여 유기체를 유전적으로 재프로그램하는 툴킷을 제공합니다. 기본 유전 기능을 암호화하는 잘 특성화된 DNA 부분의 라이브러리를 사용하여 합성 생물학자는 인공 유전자 회로를 도입하여 세포에 컴퓨터와 같은 기능을 제공할 수 있습니다. 예를 들어, 조작된 유전자 네트워크를 통해 미생물은 화학적 신호를 감지하고, 논리 계산을 수행하거나, 집단 전체에 걸쳐 행동을 동기화할 수 있습니다. 연구자들은 합성 생물학을 활용하여 프로그래밍된 기능을 갖춘 자가 ​​조직적 생명체를 개발하기 위한 다양한 전략을 모색하고 있습니다.

• 머티리얼 빌딩 블록 사용자 정의: 세포에서 분비되는 단백질이나 다당류를 재조합 DNA 기술을 이용하여 펩타이드나 단백질과 융합시켜 기능화할 수 있습니다. 예를 들어, E. 대장균 생물막 매트릭스 단백질은 중금속 흡수 및 수중 접착이 가능하도록 변형되었습니다.
• 자극 반응 유전자 회로 설계: 독소, 빛, 전기장 등의 신호를 감지하는 회로를 도입하여 생명체가 환경을 동적으로 감지하고 반응할 수 있습니다.
• 엔지니어링 세포-세포 통신: 쿼럼 감지와 같은 통신 모듈을 통합하면 조작된 셀 집단이 재료 제조 및 성능을 집합적으로 자체 조절할 수 있습니다.
• 인공미생물 컨소시엄 구축: 다양한 집단에 걸쳐 작업을 나누면 대사 부담을 분산시켜 보다 복잡한 물질 기능이 가능해집니다.

언급된 사례 외에도 자연은 영감의 보물창고를 제공합니다. 거미줄은 놀라운 강도와 유연성을 자랑하며, 뼈는 자가 재생 능력을 보여줍니다. 연구자들은 공학적 재료에서 이러한 특성을 모방하는 방법을 연구하고 있습니다. 예를 들어, 곰팡이의 뿌리 같은 구조인 균사체는 지속 가능한 포장재와 건축 자재를 만드는 데 사용되고 있습니다. 탄산칼슘을 생성할 수 있는 박테리아가 자체 균열을 복구할 수 있는 자가 치유 콘크리트에 통합되고 있습니다. 과학자들은 오염이나 온도에 반응하여 색상이 변하는 미생물이 포함된 직물을 설계하고 있습니다.

세계 연결: 생물-비생물 하이브리드 재료의 시너지 효과

순수하게 생명으로 구성되어 있음에도 불구하고, 공학적 유기체에 의해 제작된 재료는 현재 기계적 강도가 약한 등의 한계를 겪고 있습니다. 이 문제를 해결하기 위해 연구자들은 재료 과학의 제조 기술을 활용하면서 살아있는 세포와 강력한 비생물적 구성 요소를 결합하는 하이브리드 시스템을 탐색하고 있습니다. 예를 들어, 3D 프린팅과 같은 기술과 미세유체학 맞춤형 폴리머 하이드로겔 내에서 살아있는 세포의 제어된 캡슐화를 가능하게 합니다. 이러한 젤은 전체 하이브리드 물질의 물리적 특성을 향상시키면서 세포 생존력을 유지하기 위해 부드러운 수중 환경을 제공합니다. 다른 경우에, 연구자들은 새로운 물질의 능력을 가능하게 하기 위해 미생물 대사와 시너지 효과를 내는 기능성 무생물 성분을 통합했습니다. 예를 들어 CO에 전력을 공급하기 위해 빛 에너지를 수집하는 반도체 나노입자가 있습니다.2- 공학적 유전 회로와 인터페이스하는 박테리아 및 전자 센서를 고정합니다.

살아있는 재료의 실제 응용

살아있는 재료의 변형력은 실험실 벤치나 이론 연구에만 국한되지 않습니다. 이는 전 세계 다양한 분야에서 펼쳐지는 현실입니다. 이러한 실제 응용 프로그램은 생물학과 공학 원리의 혁신적인 통합이 어떻게 지속 가능한 솔루션을 유형화하고 접근 가능하게 만드는지 보여줍니다. 스스로 수리하는 건물부터 인체에 반응하는 직물, 곰팡이 뿌리에서 자란 포장재에 이르기까지 아래 사례 연구에서는 이미 영향을 미치고 있는 실제 제품과 기술을 강조합니다. 자연의 지혜와 인간의 창의성 사이의 격차를 해소함으로써 이러한 사례는 살아있는 소재의 실용성을 강조할 뿐만 아니라 산업을 크게 변화시키고 환경 결과를 개선하며 일상 생활을 향상시킬 수 있는 잠재력을 강조합니다. 살아있는 건축 구조 XNUMXD덴탈의 하이파이 설치건축 그룹 The Living이 만든 은 건축 분야에서 생명 공학 재료의 잠재력을 보여줍니다. 옥수수 줄기와 살아있는 균사체로 만든 생분해성 벽돌로 지어진 이 구조는 살아있는 재료를 사용하여 강도나 디자인을 타협하지 않는 지속 가능하고 퇴비화 가능한 건축 프로젝트를 만드는 방법을 보여주며 녹색 건물의 미래를 암시합니다. 하이파이 설치 전경. (이미지 : MoMA) 균사체로 만든 친환경 건축자재 곰팡이의 뿌리 구조인 균사체는 다음과 같은 기업들과 함께 지속 가능한 소재 혁신의 선두에 있습니다. MycoWorks 과 친환경 디자인 앞장서는. 이들 회사는 균사체의 자연적인 성장 과정을 활용하여 강하고 내구성이 있을 뿐만 아니라 완전히 생분해되는 물질을 만듭니다. 그들은 농업 폐기물을 균사체에 공급함으로써 가죽 대체재부터 포장 및 단열재에 이르기까지 다양한 제품을 만들어 순환 경제 원칙이 실제로 실행되는 강력한 사례를 제공합니다. 자가 치유 콘크리트 바실리스크 자가치유 콘크리트 건축자재 분야의 획기적인 발전을 의미합니다. 이 혁신적인 콘크리트에는 물에 노출되면 활성화되어 균열을 석회석으로 채우는 특정 박테리아가 포함되어 있어 본질적으로 콘크리트를 치유합니다. 이 프로세스는 재료의 수명을 크게 연장하고 유지 관리 비용을 줄이며 잠재적으로 콘크리트 산업의 전반적인 탄소 배출량을 낮춤으로써 친환경적인 대안을 제공합니다. 바이오플라스틱 생산 뉴라이트 테크놀로지스의 에어카본 메탄을 먹는 박테리아를 활용해 생분해성 플라스틱 대안을 생산함으로써 플라스틱 오염과 기후 변화라는 이중 과제를 해결합니다. 이 공정은 대기 중 강력한 온실가스인 메탄을 포집하여 패션 아이템부터 식품 포장까지 다양한 제품에 사용할 수 있는 소재로 변환함으로써 탄소 배출과 폐기물을 줄이는 새로운 접근 방식을 보여줍니다. 엔지니어링 리빙 코팅 인디고 농업 지속 가능한 방식으로 작물의 건강과 수확량을 향상시키기 위해 미생물 종자 코팅을 사용합니다. 이 코팅에는 가뭄과 해충에 대한 식물의 회복력을 향상시켜 화학 비료와 살충제의 필요성을 줄이는 유익한 박테리아가 포함되어 있습니다. 이 혁신적인 접근 방식은 지속 가능한 농업 관행을 지원할 뿐만 아니라 살아있는 재료가 세계 식량 안보에 기여할 수 있는 잠재력을 강조합니다. 웨어러블 바이오센서 모핑물질 연구실 낫토 박테리아의 살아있는 세포를 통합한 반응성 직물을 통해 섬유 산업에 살아있는 소재를 통합하는 바이오로직(bioLogic)을 선도하고 있습니다.바실러스 서브 틸리스) 습도에 민감한 나노 액츄에이터. 원단의 플랩이 착용자의 땀에 반응하여 열리고 닫혀 자연스러운 통기성을 제공합니다. 이 스마트한 섬유 혁신은 편안함, 기능성 및 지속 가능성을 결합하여 웨어러블 기술의 새로운 가능성을 열어줍니다.

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생활소재의 지속가능성 잠재력 실현

옹호자들은 살아있는 재료가 기존 제조에 비해 다음과 같은 여러 가지 지속 가능성 이점을 제공할 수 있다고 믿습니다.

• 유전자 변형 미생물을 세포 공장으로 사용하여 재생 가능한 바이오 플라스틱, 가죽 대체품 및 색소를 생산합니다. 이는 석유화학 공급원료에 대한 의존도를 줄여줍니다.
• 오염 물질과 폐기물의 적극적인 생물학적 정화를 위해 유기체를 사용합니다. 조작된 미생물은 공기 중 탄소를 포집하거나 플라스틱 폐기물을 분해할 수 있는 가능성을 보여줍니다.
• 식품의 유통기한을 연장하고 부패와 폐기물을 줄이는 프로바이오틱 생활 코팅을 설계합니다.
• 보다 지속 가능한 농업을 위해 질소 고정 또는 광물 침전 박테리아를 미생물 기반 비료로 사용하여 합성 비료에 대한 요구 사항을 낮춥니다.

살아있는 재료는 엄청난 가능성을 갖고 있지만 널리 채택되기 전에 몇 가지 장애물을 해결해야 합니다. 현재 생산 비용은 많은 기존 재료를 초과합니다. 유전자 변형 생물체의 사용은 생물안전성에 대한 우려를 불러일으키며 엄격한 봉쇄 및 환경 위험 평가가 필요합니다. 합성생물학에 대한 대중의 인식은 다양하므로 이점과 잠재적 위험에 대한 명확한 의사소통이 중요합니다. 마지막으로, 엔지니어링 생활 재료에는 전통적으로 상호 작용할 수 없었던 분야 간의 협력을 촉진하는 진정한 학제간 접근 방식이 필요합니다. 그럼에도 불구하고, 살아있는 재료는 합성 생물학과 재료 과학 사이의 흥미로운 교차점을 나타냅니다. 세포 공학과 미생물 군집 관리의 지속적인 발전을 통해 살아있는 기술은 언젠가 화학 물질 제조, 폐수 처리, 대기 중 탄소 격리 등을 위한 지속 가능한 솔루션을 제공할 수 있습니다. 그러나 이 미래 비전을 현실로 만들려면 해당 분야의 큰 발전이 필요합니다. 결론적으로, 공학적 생활 소재는 지속 가능한 제조에 대한 획기적인 접근 방식을 나타내며 기존 합성 소재에 대한 강력한 대안을 제공합니다. 과학자와 혁신가들은 살아있는 유기체의 힘을 활용하고 이를 고급 엔지니어링 기술과 통합함으로써 자가 조립, 자가 치유, 적응성과 같은 놀라운 특성을 나타내는 재료를 만들고 있습니다. 균사체에서 자란 친환경 건축자재부터 자가치유 콘크리트, 박테리아에 의해 생산된 생분해성 플라스틱에 이르기까지, 살아있는 자재의 실제 적용은 산업을 혁신하고 환경에 미치는 영향을 줄이며 일상 생활을 향상시킬 수 있는 잠재력을 보여줍니다. 이 분야가 계속해서 발전하고 합성 생물학과 학제간 협력이 발전함에 따라 살아있는 재료는 보다 지속 가능한 미래를 형성하는 데 중요한 역할을 할 준비가 되어 있습니다. 그러나 이러한 잠재력을 실현하려면 생산 비용, 생물안전 문제, 대중 인식 등의 문제를 해결해야 합니다. 그럼에도 불구하고, 살아있는 소재의 가능성은 부인할 수 없으며, 이들의 개발은 글로벌 지속 가능성 문제에 대한 혁신적인 솔루션을 모색하는 흥미로운 개척지를 나타냅니다.

자세히 살펴보기: 생활 소재의 미래를 향한 관문

지속 가능한 공학 소재의 새로운 시대를 여는 살아있는 하이드로겔 섬유 적응을 위한 설계: 생활 자재는 지속 가능한 건물의 미래입니다 3D 프린팅된 '살아있는 물질'로 오염된 물을 정화할 수 있다 (비디오 포함) 살아있는 구조 재료는 엔지니어와 건축가에게 새로운 지평을 열 수 있습니다 엔지니어링 리빙 하이드로겔 연구원들은 박테리아에서 거대하고 모듈화된 재료를 재배합니다. 살아있는 박테리아를 활용해 스스로 성장하는 엔지니어링 소재 설계

By

마이클
버거

– Michael은 Royal Society of Chemistry에서 다음 세 권의 책을 저술했습니다.
나노 사회 : 기술의 경계를 넓히다,
나노 기술 : 미래는 작다및
나노 엔지니어링 : 기술을 보이지 않게하는 기술과 도구
저작권 ©

나노워크 LLC

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• 출처: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64949.php