녹조류 세포 필름에서 광합성 전류 추출 기술 개발

녹조류가 광합성할 때 생성되는 광합성 전자를 효율적으로 추출하는 기술이 개발되었다.

연세대 류원형 교수와 김용재 대학원생 연구팀이 녹조류로 만든 세포 필름에 수많은 바늘모양 전극을 붙여 장기간 많은 수의 녹조류 세포에서 광합성 전류를 추출할 수 있게 되었다고 한국연구재단이 31일 밝혔다.

식물세포는 광합성을 통해 태양에너지를 고효율로 전기화학 에너지로 변환한다. 이 광합성 과정에서 전기에너지를 추출해 활용하려는 연구가 활발히 진행되었다. 그러나 아직까지는 세포 포획과 전극 삽입이 간단하지 않아, 대량의 전류를 추출하기 어려운 한계가 있다.

연구팀은 녹조류 세포를 한 번에 쉽게 다룰 수 있도록 단일층의 세포 필름을 제작했다. 또한 바늘모양의 나노 전극이 조밀하게 배열된 기판을 개발해 대량의 조류세포에 삽입할 수 있게 했다. 나노 전극 기판 위에 세포 필름을 샌드위치처럼 올려놓고 압력을 가하면 수많은 조류에 동시에 전극이 삽입되어 전류를 추출한다.

개발된 기술로 나노 전극 기판 1 제곱센티미터(cm2)의 작은 면적 위에서 약 10만개 이상의 조류세포의 전류를 추출할 수 있다. 그 결과, 전기화학적 중계물질 없이 100 나노암페어(nA) 이상의 광합성 전류가 추출되었고, 약 1주일 간 세포의 기능이 유지되었다.

류원형 교수는 “개발된 세포 필름을 이용한 나노 전극 동시 삽입 및 대면적 광합성 전자 추출 기술은 조류세포와 같은 식물세포를 이용한 태양광 에너지 변환 시스템이 실험실 단계를 벗어나 실용화 단계로 나아갈 수 있는 첫 걸음”이라며 연구의 의의를 설명했다.

나노 전극이 삽입된 조류세포 필름 및 광합성 전자 추출 모식도 일련의 마이크로/나노 공정을 순차적으로 진행하여 대면적에 정렬된 나노 전극 어레이를 제작함. 나노 전극에 대량의 식물세포를 삽입하기 용이하도록 식물세포와 하이드로젤을 혼합하여 얇은 세포 단층 필름을 제작함. 이 후 나노 전극 어레이와 세포 필름의 간단한 샌드위치 공정을 통해 대량의 세포를 동시에 나노 전극에 삽입하고 빛을 조사함에 따라 발생하는 광합성 전류를 포텐시오스탯 장비를 이용해 측정함.

세포 필름의 나노전극 삽입 모식도, 삽입 후 세포의 전자 현미경 이미지 및 분석 식물세포를 나노 전극에 삽입하기 위하여 세포 필름에 균일한 압력을 가하는 방식을 사용함. 삽입된 식물세포는 주사 전자 현미경을 통해 삽입 여부와 삽입된 양을 관찰하여 정량적, 정성적 분석을 진행함.

이 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 글로벌프런티어 사업, 기초연구사업(선도연구센터)의 지원을 받아 수행되었다.

국제학술지 바이오센서스 앤 바이오일렉트로닉스(Biosensors and Bioelectronics) 10월 15일자 논문으로 게재되었다.

[e-mail] 조석장 기자