“단 한 마리에 초점” 박테리아 나노 나침반

지구 자기장을 감지해 스스로 방향을 잡는 미생물의 경이로운 장치인 박테리아 나노 나침반의 정밀한 수치가 사상 처음으로 측정되었습니다. 바젤 대학교 연구진은 바이로이트 대학교의 미생물학자 디르크 슐러 교수와 협력하여 단일 세포 수준에서 박테리아 나노 나침반의 작동 원리를 규명하는 데 성공했으며, 해당 연구 결과는 저명한 학술지 Physical Review E에 게재되었습니다. 이번 연구는 그동안 기술적 한계로 인해 집단 단위로만 관찰되었던 박테리아 나노 나침반을 개별 세포 단위에서 정밀하게 분석했다는 점에서 고고학적 유물 분석만큼이나 정교한 과학적 성과로 평가받고 있습니다.

집단 연구를 넘어선 기술적 난제, 단일 세포 속 박테리아 나노 나침반 조사

향후 마이크로 로봇과 같은 정밀한 기술적 응용을 현실화하기 위해서는 박테리아 나노 나침반의 자기적 특성을 정확히 이해하는 것이 선행되어야 합니다. 하지만 개별 세포 내부에 존재하는 마그네토솜 사슬의 자성이 극히 약하기 때문에 이를 정밀하게 측정하는 것은 고난도의 기술적 과제였습니다. 이전의 연구들이 주로 수많은 박테리아 집단을 대상으로 했던 것과 달리, 이번 학제간 연구팀은 외부 자기장의 영향 하에서 단일 박테리아 내부의 박테리아 나노 나침반이 어떻게 상호작용하는지 포착하는 데 성공했습니다.

캔틸레버 진동으로 읽어낸 진실, 박테리아 나노 나침반의 안정성 확인

연구팀은 매우 얇은 캔틸레버 끝에 박테리아 한 마리를 부착한 뒤 자기장 속에서 발생하는 미세한 진동을 측정하는 혁신적인 방식을 도입했습니다. 이번 연구의 제1 저자인 마티아스 클라우스는 캔틸레버의 주파수 변화를 통해 박테리아 나노 나침반의 자기적 성질이 얼마나 강한지, 그리고 그 자기적 방향이 얼마나 안정적으로 유지되는지를 성공적으로 추론했습니다. 이러한 고감도 측정 데이터는 전자 현미경 분석 및 컴퓨터 시뮬레이션과 결합되어 박테리아 나노 나침반의 물리적 구조를 더욱 명확히 증명했습니다.

지구 자기장에 완벽 정렬: 박테리아 나노 나침반의 압도적 효율성

실험 결과, 박테리아 내부 사슬의 자기 강도는 자연 상태에서 지구 자기장에 평행하게 정렬하여 방향성을 가지고 움직일 수 있을 만큼 충분하다는 것이 확인되었습니다. 다만 매우 강한 자기장은 이러한 정렬에 영향을 미쳐 박테리아의 방향을 흐트러뜨릴 수 있다는 점도 밝혀졌습니다. 이 프로젝트를 이끈 보리스 그로스 박사는 이러한 특성이 향후 제어 가능한 마이크로 로봇과 같은 기술 응용 분야에서 고려해야 할 중요한 측면이라고 덧붙였습니다.

자기장이 뒤바뀌어도 안전한 이유: 자연 상태의 유연한 회전 메커니즘

흥미로운 점은 자기장이 반전되었을 때의 반응입니다. 시뮬레이션에서는 개별 자석이나 작은 자석 무리가 갑자기 방향을 바꾸는 현상이 확인되었으나, 이는 실제 호수에 사는 박테리아에게 위험을 초래하지는 않습니다. 지구 자기장은 박테리아를 위협할 만큼 강하지 않으며, 실험 장치에 고정된 박테리아와 달리 자연의 박테리아는 자유롭게 움직일 수 있기 때문입니다. 박테리아는 내부 자석이 뒤집히기 전에 몸 전체를 회전시켜 자기장의 방향과 일치할 때까지 계속해서 움직이는 유연한 생존 전략을 보여줍니다.

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[알아두면 좋은 과학 용어]

• 캔틸레버(Cantilever): 미세한 힘이나 진동을 감지하기 위해 한쪽 끝만 고정된 막대 형태의 정밀 측정 장치입니다.
• 마그네토솜(Magnetosome): 박테리아 세포 내에서 자성을 띠는 나노 입자로, 박테리아 나노 나침반의 핵심 구성 요소입니다.

손동민 기자 / hello@sciencewave.kr

자료: Phys.org

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