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생체모방공학

생체모방공학 소식

by ♤ ♤ 2021. 5. 5.

생체모방공학 소식으로 시작되는 한 해 

(Happy New Biomimetics Year)

 

     자연의 해결책을 모방한 다양한 설계들은 계속해서 놀라움을 주고 있다.

 

시린 치아에 대한 희망 : 치과를 언제 가야할까? 만약 당신이 시린 치아(sensitive teeth)를 가졌다면, 생체모방공학에 의한 해결책이 다가오고 있다. 치아의 시림은 상아질(dentin)이 부식되어 신경이 뜨겁거나, 차거나, 달콤한, 혹은 신 시그널(신호)에 노출될 때 발생한다. 미국화학회(American Chemical Society)의 보도 자료에 근거하여 PhysOrg 지와 Science Daily 지는 홍합(mussels)에서 단서를 얻은, 에나멜과 상아질을 재건할 수 있는 방법을 발표했다. 홍합은 바위에 자신을 부착시키기 위한 방수 접착제를 만들 수 있다. 연구팀은 ”자연에서 얻은 영감”을 통해, '미네랄이 재건축 과정 동안 충분히 오래 상아질과 접촉 유지될 수 있었다”고 결론지었다. 그들은 상아질과 에나멜이 같이 자랄 수 있도록 해주는(PhysOrg 지의 그림을 보라) ”끈적거리는 성분”을 개발해왔다. 신경을 둔화시키는 특수치약으로 칫솔질하는 현재의 미봉책보다 그러한 해결책은 훨씬 더 좋은 방법이 될 것이다. 대신에 접착제는 치아의 재건을 가능하도록 해줄 것이다.

 

좋은 가격의 진주 : 진주와 진주층(nacre, mother-of-pearl)의 아름다움은 보석류에 있어서 매력 이상이다. 또한 그 재료는 균열에 대한 견고성도 우수하다. 생체모방 공학자들은 그와 비슷한 재료를 만들기 위해 모방하고 있지만, 어떻게 연체동물이 그것을 만들어내는지를 이해하는 것이 선결요건이 되고 있다. 그것을 모방하는 일이 이해하는 길이다; PNAS 지의 논문에서 연구자들은, ”80개의 껍질 기질 단백질들을 동정하였고, 그 가운데 66개는 완전히 독특한 것”이라고 기술하고 있었다. 비록 그들은 껍질을 만드는 것이 연체동물의 ”진화적 성공”의 열쇠라고 믿고 있었지만, 어떻게 무작위적이고 맹목적인 진화과정이 확률적으로 극도로 불가능한 이러한 독특한 단백질들 66개를 우연히 발생시킬 수 있었는지에 대해서는 설명하지 않고 있었다 (online book참조). 프랑스의 연구팀은 다음과 같이 말했다.

기질 전체의 ”생광물질화 도구상자”는 진주 굴에서 프리즘과 진주층 껍질층의 형성을 조절하는 것으로(적어도 부분적으로는) 생각된다. 우리는 프리즘과 진주층이 서로 매우 다른 단백질 성분에서 조립되었다는 것을 분명하게 보여주었다. 이것은 이러한 층(layers)이 서로에서 파생하지 않았다는 것을 나타낸다.

 

신속한 스테로이드 합성을 모방하기 : 스크립스 연구소(Scripps Institute)의 연구자들은 ”하나의 업적을 이뤘는데... (오직 자연만이 대량으로 만들 수 있는) 폴리하이드록실레이트 스테로이드(polyhydroxylated steroid) 합성에 성공했다”는 것이다. ”심장부전 약물로 그리고 다른 치료제로 사용되어왔던 이 화합물을 실험실에서 합성하는 것은 악명 높게 어려웠었다”고 PhysOrg 지는 보도했다. 본 업적은 ”상당량을 오직 식물과 동물에서만 얻을 수 있었던 유용한 화합물들을 대량 합성해내고, 다양한 응용물들을 제조할 수 있는 길을 열었다”는 것이다. 그들은 합성 단계를 41에서 21 단계로 줄였지만, 자연의 기술은 여전히 우수해 보인다는 것이다.

 

생체 영감으로 얻은 촉매제 : 자연은 그것을 너무 쉽게 만드는 것처럼 보인다Science 지는 ”자연적으로 발생하는 금속효소(metatalloenzymes)는 호기성 산화를 위한 매력적인 촉매로 오랫동안 알려져 왔다. 왜냐하면 그것은 완전한 항성분 배양조(chemostelectivity)의 온화한 조건에서 작용할 수 있기 때문이라고 말했다. ”이러한 효소기능의 모의실험은 많은 생체모방 산화 촉매제를 발견하게 되었다”고 말했다. 마틴 라르게론(Martine Largeron)과 모리스-버나드 플러리(Maurice-Bernard Fleury)는 이 역동적인 연구 분야의 진행상황을 설명하고 있었다. 그러나 연구자들은 아직 살아있는 세포가 매일 수행하는 것을 가깝게 따라잡지는 못하고 있었다 :

순수한 분자 산소보다 상온의 대기에서 효과적으로 기능하는 생체모방 촉매 시스템의 개발을 포함하여, 많은 도전들이 남아있다. 희귀하고 비싼 금속보다는 생체 양립이 가능하며 재활용 가능한 이종의 나노집속 촉매제(nanocluster catalysts) 개발이 또한 환영받게 될 것이다. 좀 더 일반적인 관점에서, 아민산화효소(amine oxidase enzymes) 기능을 모방하는 것이 친환경적 유기물 합성이 될 것이다. 왜냐하면 공기는 더 저렴하고 오염이 적은 화학양론적 산화제(stoichiometric oxidant)이기 때문이다.

 

미토콘드리아에서 영감을 얻어 만든 연료전지 : 미토콘드리아와 엽록체 같은 세포기관(cellular organelles)에서 영감을 받아, 리딩 대학(University of Reading)의 연구자들은 플라스틱 기판에 설치할 수 있는 표면적을 크게 증가시킨 나노전선(nanowire) 네트워크를 구축했다. 그것은 보다 효율적이고, 값싸고, 친환경적인 연료전지와 다른 제품들을 생산할 수 있게 해주는 것이다.PhysOrg 지는 ”자연에서 영감을 얻은 나노재료가 녹색에너지의 지평을 열었다”라는 제목으로 보도했다. 한 비디오 클립은 그것의 제조 공정을 보여주고 있다.

 

살아있는 건물 : 과도한 이산화탄소를 흡수할 수 있는 지의류와 이끼로 된 미래의 건물을 상상해보라. Science Daily 지는 그것은 하나의 선택이 되고 있다며, 햇빛의 대부분을 활용하는 ”식물로 덮힌 외관”의 건물도면을 보도했다. 스페인 바르셀로나 대학에서 디자인된 그 새로운 재료는, ”다른 유사한 건축 해결책보다 더 환경적이고, 보온성과 미적인 장점을 제공한다”는 것이다. 그것은 또한 실내에 거주하는 사람들의 보온성과 안락함을 향상시킨다. ”이 새로운 수직 다층 건축물의 혁신적인 특징은 어떤 생물적 유기체의 생장 발달을 위해 자연적인 생물 지지대로서 작용하고 있다”는 것이다. 어떤 미세조류, 균류, 지의류와 이끼류에 특이적인 이러한 층 구조물은 유기물에 필요한 빗물을 모으고, 그들이 자랄 때 계절에 따라 건물 색체가 변하게 될 것이다. 연구자들은 그들이 특허를 낸 콘크리트 건물이 혁신적인 ”수직 정원”을 만들며, 경관과 조화되도록 한다는 것이다.


 

누구나 생체모방공학(biomimetics)을 사랑할 수 있다. 이상의 많은 것들이 전에는 언급되지 않았던 독특한 이야기들이다. 더 빠르고, 좋고, 값싼 것들을 만드는 방법을 자연이 우리에게 보여주고 있다. 설계된 자연에 초점을 맞출 때, 우리의 삶은 향상될 수 있으며, 다윈의 이야기는 논의에서 배제되는 것이다.

 

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