환상적인 빛: 자연의 빛 활용

 생물발광은 반딧불이와 해파리와 같은 일부 생물이 세포에서 방출하는 빛을 설명합니다. 이러한 반응을 활용함으로써 이미 임상 진단 및 의학 연구의 주요 영역을 변화시켰습니다.

 

 그러나 과학자들은 이제 이 "살아 있는 빛"이 식량 작물을 늘리고 오염을 감지하며 집으로 돌아가는 길을 밝혀줄 수 있는지 여부를 살펴보고 있습니다.

 

 1832년 1월 어느 날 밤 테네리페 해안에서 어린 찰스 다윈이 HMS 비글호의 갑판 위로 걸어 올라갔습니다.

젊은 박물학자는 바다를 바라보며 바다에서 발산하는 기이한 빛에 매료되었습니다.

"바다는 얼룩으로 빛나고 배 뒤에서 균일하고 약간 유백색이었습니다."라고 그는 썼습니다.

"물을 병에 담았을 때, 물을 끌어올린 후 몇 분 동안 불꽃을 일으켰습니다."

다윈은 과편모조류라고 불리는 작은 해양 생물이 방출하는 빛을 거의 확실히 설명하고 있었습니다. 생물발광으로 알려진 이 현상에 대한 그의 설명은 케임브리지 대학에 보관된 손으로 쓴 노트에서 Anthony Campbell 교수에 의해 발굴되었습니다.

 다윈은 이 현상을 문서화한 최초의 현대 과학자 중 한 사람이었지만 실제 사용되기까지는 한 세기가 넘었습니다. 카디프 대학의 캠벨 교수는 1970년대와 1980년대에 걸쳐 선구적인 연구를 수행하여 살아있는 생물이 루시페라제라는 특수 단백질을 사용하여 이 빛을 생성한다는 발견을 이끌어냈습니다. 단백질은 빛 방출을 담당하는 세포에서 화학 반응에 참여합니다.

 "40년 전 [카디프 대학교] 의과대학에서 생물발광 연구를 시작했을 때 많은 사람들이 눈썹을 치켜들며 말했습니다. 의학 연구'라고 Campbell 교수는 설명합니다.

거대한 시장

 그러나 그는 현상의 가능성을 발견할 수 있었습니다. 생물발광과 관련된 단백질을 발견한 그는 루시페라아제를 다른 분자와 결합함으로써 생물학적 과정을 측정하기 위해 이 빛 방출을 이용하는 것이 가능하다는 것을 깨달았습니다.

 

 이것은 의학 연구와 임상 진단에 혁명을 일으킬 수 있는 길을 열 것입니다.

예를 들어, 발광 단백질을 항체(신체의 면역 체계에 의해 생성되는 보호 분자)에 부착하여 질병 진단에 사용할 수 있습니다. 이를 통해 임상의는 이전에 그러한 테스트에 사용되었던 방사성 표지자를 생략할 수 있습니다.

"이 시장은 현재 약 200억 파운드의 가치가 있습니다. 병원에 가서 바이러스 단백질, 암 단백질, 호르몬, 비타민, 박테리아 단백질, 약물을 측정하는 혈액 검사를 받으면 거의 확실하게 이 기술을 사용할 것입니다."라고 Campbell 교수가 말했습니다. BBC 뉴스.

 생물발광 단백질은 또한 약물 발견의 도구이며 살아있는 세포의 생물학적 과정을 연구하는 데 사용되는 생물의학 연구에서 널리 응용되고 있습니다.

Campbell은 "이러한 기술을 사용하지 않는 대학 부서가 있다면 최첨단 기술이 아닙니다."라고 말합니다.

오염 문제

 다른 애플리케이션도 곧 출시될 예정입니다. 스위스 로잔 대학의 Jan van der Meer 교수는 유전자 변형 박테리아를 사용하여 음용수에 있는 비소의 존재에 대한 테스트를 개발했습니다.

지하수의 비소 오염은 세계의 일부 지역, 특히 방글라데시, 인도, 라오스 및 베트남에서 심각한 문제입니다.

Van der Meer 교수의 미생물은 비소 함유 화합물과 접촉할 때 빛을 방출하도록 설계되었습니다. 잠재적으로 오염된 물을 바이알에 주입하여 휴면 중인 GM 박테리아를 활성화합니다. 미생물이 빛을 방출하는 정도를 측정하여 물의 비소 농도를 나타냅니다.

 

 이 작품은 현재 독일 회사인 Arsolux에 의해 상업화되고 있습니다. van der Meer 교수는 박테리아 기반 키트가 여러 샘플에 잘 대처하고 표준 화학 테스트 현장 키트보다 적은 재료가 필요하며 준비하기 쉽다고 말합니다.

그러나 이러한 국가에서 박테리아 기반 테스트를 도입하는 데는 규제 장애물이 남아 있습니다. 그리고 van der Meer 교수는 "결국 시장의 문제로 귀결됩니다... 과학자로서 통제할 수 없는 것"이라고 덧붙였습니다.

특정 화합물에 반응하여 색이 변하는 소위 무지개 단백질(작업에서 생물발광으로의 파생물)은 환경 독소 또는 잠재적인 테러 요인을 탐지하는 옵션이기도 합니다.

식물 잠재력

 생물 발광의 소비자 응용 프로그램은 이미 여러 가지가 있습니다. 한 미국 회사는 나이트클럽에서 판매할 발광 음료를 제조하는 데 이를 사용했습니다.

그리고 연구자들은 식물이 빛을 내도록 변형시키기까지 했습니다. 생물발광 작물은 물과 영양분이 필요할 때를 표시하거나 질병 및 감염에 대해 경고할 수 있습니다. 그러나 GM 식품을 둘러싼 논쟁은 지금까지 이러한 아이디어가 실현되는 것을 막았습니다.

 몇 년 전 캠브리지 대학의 학부생 팀은 자연적인 "가로등" 역할을 하는 발광 나무에 대한 아이디어를 연구했습니다.

"그 프로젝트에서 우리가 달성한 것은 생물발광을 가능하게 하는 일부 DNA를 조합하고 그것이 [박테리아] 대장균 에서 작동함을 보여주고 다른 사람이 사용할 수 있도록 이 DNA를 보유하는 '부품 등록부'에 제출하는 것이었습니다. 미래에 그렇게 될 것입니다." 팀원인 테오 샌더슨이 BBC 뉴스에 말했습니다.

"우리는 약 1년 전에 접근하여 프로젝트를 계속 개발하기 위한 자금을 제안했지만 모두 다른 일을 진행했기 때문에 선택 사항이 아니었습니다."

 실험실에서 발광 식물을 만들려는 이전의 노력은 반딧불이에서 파생된 루시퍼라제 유전자를 사용했습니다. 그러나 이 식물은 루시페린이라는 값비싼 화학 물질을 보충할 때만 빛을 발할 수 있습니다. 케임브리지 팀이 사용한 방법은 발광을 위한 자체 연료를 생산하여 정상적인 영양소를 공급할 수 있는 박테리아 시스템을 기반으로 하기 때문에 매력적입니다.

 

 2010년에 별도의 팀 이 화학 보충제 없이도 빛나는 식물을 만드는 데 이러한 방법을 사용할 수 있음을 입증 할 있는 연구를 발표했습니다. 미국-이스라엘 과학자 팀은 박테리아의 발광 유전자를 식물의 엽록체에 삽입했습니다. 이 엽록체는 태양의 빛 에너지를 화학 연료로 전환하는 세포의 구조입니다.

현재 케임브리지 근처에 있는 생어 연구소에서 일하는 샌더슨은 엽록체는 본질적으로 박테리아가 식물 세포에 통합되어 다른 변형 없이 미생물 유래 유전자를 쉽게 발현할 수 있기 때문에 이것이 좋은 선택이라고 말했습니다.

그러나 연구자들은 GM 나무가 도시 정글을 통해 우리의 길을 밝히는 경우 그러한 실험실 유기체에서 빛 방출을 높일 방법을 찾아야 할 것입니다.

 Campbell 교수는 약물 발견 및 의학 연구에서 발광 단백질의 잠재력이 아직 완전히 고갈되지 않았으며 현재 알츠하이머병 연구에 루시페라제를 사용하는 프로젝트에 협력하고 있다고 말했습니다.

생물발광 생물은 또한 바다의 환경 변화를 연구하는 편리한 수단을 제공할 수 있습니다. 일부 동물은 자신이 먹는 유기체에서 필요한 발광 화학 물질을 얻습니다. 따라서 이러한 종 간의 상호 작용을 연구하면 과학자들이 해양 먹이 사슬의 변화를 감지할 수 있습니다.

 

 임상 진단 및 연구에 대한 영향에도 불구하고 Campbell 교수는 생물발광 연구에 대한 보조금을 단 한 번만 받았다고 지적합니다. 그럼에도 불구하고 그는 이것이 "매우 예기치 않게 호기심이 어떻게 생물학과 의학의 주요 발견으로 이어졌는지에 대한 아름다운 예입니다. 그리고 수십억 달러의 시장을 창출했습니다"라고 말했습니다.