바이오테크
전기를 호흡하는 E. coli가 바이오테크의 미래를 구동할 수 있다
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E. coli가 전기를 사용해 호흡한다: 획기적인 발견 설명
이론적으로, 인공 기계와 생물학 사이의 차이는 꽤 명확합니다. 우리의 발명품은 대부분 전기로 작동하는 반면, 박테리아부터 인간에 이르는 생명은 화학 반응으로 움직입니다. 그러나 이 차이가 이전에 우리가 가정한 만큼 명확하지 않을 수도 있습니다.
라이스 대학교, 캘리포니아 대학교, 그리고 노보 노르디스크 재단 바이오지속가능성 센터의 연구원들은 우리 장내에 흔히 존재하는 박테리아가 산소 대신 전기를 사용해 “호흡”하는, 외부 호흡(extracellular respiration)이라고 불리는 과정을 이용하고 있음을 발견했습니다.
“우리 연구는 오래된 과학적 미스터리를 해결했을 뿐만 아니라, 자연에서 새로운 그리고 잠재적으로 널리 퍼진 생존 전략을 제시합니다.”
Ajo-Franklin – Biosciences 교수
이 과정은 배터리가 전류를 방출하는 방식을 모방하기 때문에, 생물학적 연구를 넘어선 응용 가능성을 가질 수 있습니다.
그들의 발견은 권위 있는 과학 저널 Cell에 ‘Extracellular respiration is a latent energy metabolism in Escherichia coli’라는 제목으로 게재되었습니다.
미생물에서의 호흡 및 전자 전달 이해
본질적으로 호흡은 전기적 과정, 정확히는 전기화학적 과정입니다. 에너지 분자를 사용해 전자를 복잡한 단백질 사슬을 따라 전달하고, 최종적으로 산소에 수소 이온(H+)과 전자(e-)를 더해 물로 변환합니다.
하지만 이 과정이 반드시 산소만을 사용해야 하는 것은 아닙니다. 예를 들어 발효 과정에서도 유사한 전자 전달이 일어나지만, 최종 산화가 일어나지 않아 호흡보다 효율이 훨씬 낮습니다.
이론적으로는 전자의 최종 수용체가 무엇이든 호흡에 활용될 수 있으며, 산소 기반 호흡과 유사하게 작동할 수 있지만, 실제로는 매우 복잡합니다.
E. coli가 외부 호흡을 통해 산소를 대체하는 방법
연구진이 바로 발견한 바와 같습니다. 대장균(Escherichia coli)은 나프토퀴논이라는 화합물을 이용해 전자를 외부 표면으로 전달할 수 있습니다.
이 외부 호흡 과정은 오랫동안 알려져 있었지만, 이번이 그 작동 메커니즘이 처음으로 설명된 사례입니다.
“이 새롭게 발견된 호흡 메커니즘은 일을 수행하는 간단하고 기발한 방법입니다.
나프토퀴논은 분자 택배원처럼 전자를 세포 밖으로 운반해 박테리아가 음식물을 분해하고 에너지를 생성할 수 있게 합니다.”
Biki Bapi Kundu – 라이스 대학 박사과정 학생
따라서 산소를 호흡하는 대신, 박테리아는 주변 물질을 전자를 받아들이게 하여 산화시킴으로써 “호흡”할 수 있습니다.
이는 정상적인 호흡과 발효 외에, 박테리아가 음식물을 처리하고 에너지를 생성하는 세 번째 방법임을 시사합니다.
Electrode-Based Experiments Confirm Bacterial Electricity Use
컴퓨터 모델링을 사용한 시뮬레이션 결과, 박테리아가 외부로 전자를 방출함으로써 스스로를 유지할 수 있음이 밝혀졌습니다.
연구진은 이후 전자를 받아들일 수 있는 전극과 같은 전도성 표면이 풍부한 영역에서 박테리아를 배양하려 시도했습니다.
추가 실험을 통해 전도성 물질 위에 놓인 박테리아가 계속 성장하고 전기를 생성하며, 표면을 통해 호흡하는 것이 확인되었습니다. 박테리아는 외부 호흡으로 전환하면서 대사 기능과 유전자 발현에 큰 변화를 겪었습니다.
Applications of Bacterial Electricity in Clean Tech and Biotech
전자가 화학 반응과 산화를 구동하는 것은 청정 기술에 핵심적인 여러 중요한 화학 반응의 기반이 됩니다.
특히 이 과정은 이산화탄소 고정에 활용될 수 있으며, 식물 대신 대장균과 같은 박테리아를 이용해 탄소를 포집하는 기술에 적용될 수 있습니다.
“우리 연구는 재생 가능한 전기를 이용해 이산화탄소를 활용하는 기반을 마련합니다. 박테리아는 광합성에서 식물과 유사한 역할을 수행합니다.
이는 생물학을 핵심으로 하는 더 스마트하고 지속 가능한 기술을 구축하는 문을 열어줍니다.”
Ajo-Franklin – Biosciences 교수
폐수 처리와 바이오제조와 같은 바이오테크놀로지 공정은 전자 불균형 관리가 개선됨에 따라 크게 향상될 수 있습니다. 전기를 배출하는 박테리아를 이러한 작업에 투입하면 불균형을 교정해 시스템을 효율적으로 운영할 수 있습니다.
또 다른 잠재적 응용 분야는 산소가 부족한 환경에서 전자 전달 방식을 이용해 산소를 대체하는 바이오전자 센서입니다. 이는 의료 진단, 오염 모니터링, 심우주 탐사 등 새로운 도구에 유용할 수 있습니다.
Future of Bioelectricity: What This Means for Biotechnology
여전히 미생물, 특히 E. coli와 같이 연구되고 “이해”된 박테리아의 복잡한 생화학적 능력에 대해서는 거의 알려진 것이 없습니다.
이는 전기생물학에 관한 새로운 발견이 배터리, 센서, 오염 관리, 바이오제조 등을 위한 더 나은 솔루션 설계에 활용될 수 있다는 흥미로운 아이디어를 제시합니다.
아마도 오늘 처음으로 설명된 E. coli의 과정을 인공적으로 재현함으로써 실현될 수 있을 것입니다.
그 맥락에서 인공 단백질이나 유사 분자가 전자 전달을 제어되고 예측 가능한 방식으로 수행하도록 설계될 수 있습니다.
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Ginkgo Bioworks (DNA ) 는 다양한 연구 프로그램과 파트너십을 통해 적용 분야를 넓혔습니다:
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Gingko의 파트너십은 지속적으로 확대되고 있으며, 다음과 같습니다:
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Gingko Bioworks Stock News and Latest Developments
Study Reference:
- Biki Bapi Kundu, et al. (2025) Extracellular respiration is a latent energy metabolism in Escherichia coli. Cell. 10 2025년 4월.
