연구원들은 조직공학, 약물 전달 및 3D 인쇄를 위한 생체재료를 사용자 정의하는 새로운 방법을 발견했다

라이스 대학교 연구진은 맞춤형 엔지니어링 생체 소재(ELM)에 대한 새로운 시퀀스-구조-속성 관계를 밝혀내어, ELM의 구조와 늘어남이나 압축과 같은 변형력에 대한 반응에 대한 보다 정확한 제어가 가능해졌습니다.

ACS Synthetic Biology 의 특별호에 게재된 이 연구는 ELM에 구조를 제공하는 단백질 네트워크인 단백질 매트릭스를 변경하는 데 초점을 맞춥니다. 연구팀은 작은 유전적 변화를 도입함으로써 이러한 재료의 거동에 상당한 차이를 만들 수 있다는 것을 발견했습니다. 이러한 발견은 조직 공학, 약물 전달 및 심지어 생체 장치의 3D 인쇄의 발전을 위한 문을 열 수 있습니다.

"우리는 독특한 특성을 가진 맞춤형 소재를 만들기 위해 세포를 엔지니어링하고 있습니다." 생명과학 교수이자 이 연구의 책임 저자인 캐롤라인 아조-프랭클린이 말했습니다. "합성 생물학은 이러한 특성을 조정할 수 있는 도구를 제공했지만, 유전적 서열, 물질 구조 및 행동 간의 연결은 지금까지 크게 탐구되지 않았습니다."

합성 생물학 기술을 사용하여, 연구팀은 Caulobacter crescentus라는 박테리아와 함께 작업했습니다. 연구실의 이전 구성원들은 박테리아를 조작하여 BUD(bottom-up de novo의 줄임말)라는 단백질을 생성하게 했는데, 이는 세포가 서로 붙어서 지지 매트릭스를 형성하는 데 도움이 됩니다. 이를 통해 박테리아는 센티미터 크기의 구조로 성장할 수 있었고, 이 그룹은 이를 BUD-ELM이라고 부릅니다.

연구자들은 이러한 공학적 접근 방식을 채택하여 엘라스틴 유사 폴리펩타이드(ELP)라고 하는 특정 단백질 부분의 길이를 다양하게 하여 새로운 소재를 만들었습니다. 연구팀은 원래 중간 길이의 BUD-ELM과 두 가지 새로운 변종을 특성화하여 각각 다른 특성을 보인다는 것을 발견했습니다.

BUD 40 이라 명명된 첫 번째 소재는 가장 짧은 ELP를 가지고 있었고 더 두꺼운 섬유를 형성하여 더 단단한 벌크 소재를 만들었습니다. 두 번째 유형인 BUD 60 은 중간 길이의 ELP를 가지고 있었고 구형체와 섬유의 조합을 만들어 변형 진동 응력 하에서 가장 강한 소재를 만들었습니다. 마지막으로 가장 긴 ELP를 가진 BUD 80 은 더 얇은 섬유를 생성하여 변형 응력 하에서 쉽게 파손되는 덜 단단한 소재를 만들었습니다.

고급 이미징 및 기계적 테스트는 이러한 차이가 단순히 미용적인 것이 아니라 재료가 스트레스를 처리하고 압력을 받을 때 흐르는 방식에도 영향을 미친다는 것을 보여주었습니다. 예를 들어, BUD 60 은 더 많은 힘을 견뎌내고 환경 변화에 더 잘 적응할 수 있어 3D 인쇄 또는 약물 전달과 같은 응용 분야에 이상적입니다.

세 가지 재료 모두 두 가지 공통점이 있습니다. 전단 희석 거동을 보이며 많은 양의 수분(무게의 약 93%)을 보유합니다. 이로 인해 조직 공학에서 세포 성장을 지원하는 지지대나 약물을 통제된 방식으로 전달하는 시스템과 같은 생물 의학적 용도에 매우 적합합니다.

"이 연구는 생물학적 기능을 추가하는 것보다 맞춤형 기계적 특성을 가진 살아있는 재료를 처음부터 만드는 데 초점을 맞춘 최초의 연구 중 하나입니다."라고 생물 과학 대학원생이자 이 연구의 첫 번째 저자인 에스더 히메네즈가 말했습니다. "단백질 서열에 작은 조정을 가함으로써 특정 기계적 특성을 가진 재료를 설계하는 방법에 대한 귀중한 통찰력을 얻었습니다."

이러한 잠재적 활용 분야는 생물의학 분야를 넘어섭니다. 이러한 자가 조립 소재는 환경 정화나 생분해성 구조물을 건설하거나 자연 과정을 활용하여 에너지를 생산하는 것과 같은 재생 에너지 응용 분야에 적용될 수 있습니다.

"이 연구는 서열-구조-속성 관계를 이해하는 것의 중요성을 강조합니다." 생명과학 전공생이자 이 연구의 두 번째 저자인 4학년 칼슨 응웬은 말했습니다. "특정 유전자 변형이 재료 속성에 어떤 영향을 미치는지 파악함으로써, 우리는 차세대 생활 소재를 설계하기 위한 기반을 구축하고 있습니다."

이 연구는 미국 국립과학재단 대학원 연구 펠로우십, 텍사스 암 예방 연구소, 웰치 재단의 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/02/250205130926.htm