새로 개발된 ‘생각하는 토양(Thinking Soil)’ - 유전자 변형 박테리아를 넣어 콘크리트 기초를 강화
새로 개발된 ‘생각하는 토양(Thinking Soil)’ - 유전자 변형 박테리아를 넣어 콘크리트 기초를 강화
  • 문소영 기자
  • 승인 2020.01.22 15:11
  • 댓글 0
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[퓨처타임즈=문소영기자] 우리가 살고 일하는 건물은 얼마나 안정적인가? 우리가 살고 있는 집은 3.6미터의 깊이와 30cm 두께의 콘크리트 기초 위에 세워져 있다. 마천루의 기초는 84미터의 깊이와 6미터의 두께를 가진다. 엄청난 양의 콘크리트이다. 그리고 새로 개발된 유전자 변형 토양은 콘크리트 기초의 강도와 내구성을 두 배로 늘일 수 있다. 콘크리트 기초는 지반 침하에 대처한다. 지반침하는 지하수의 배수, 지하 굴착, 영구 동토층의 용해 등 다양한 원인에 의해 발생된다.

피사의 사탑
피사의 사탑

지반 침하에 의해 기울어진 유명한 빌딩으로는 피사의 사탑과 멕시코시티의 메트로폴리탄 대성당(Metropolitan Cathedral)이 있다. 이러한 건물은 여행자들에게는 좋은 사진 촬영 장소가 되지만 세심하게 모니터하지 않으면 지반 침하는 심각한 위험요소가 된다. 영국 학생들에 의해 개발된 콘크리트 수리 박테리아는 바이오시멘트를 개발하는 과학자들에게 영감을 주었다. 유전자 변형된 토양 미생물은 압력의 변화에 반응하여 자동적으로 기초 아래의 토양을 강화한다. 고초균(Bacillus subtilis)이 토양에 주입되면 고초균은 우레아제(urease)라는 효소를 형성한다. 이 효소는 주변 환경의 pH를 높이며 요소 유기화합물을 암모니아와 탄산염으로 분해한다. 세포 표면에는 탄산칼슘이 축적되어 있으며 그 양이 충분한 경우 방해석 침적이 일어난다.

박테리아의 성장은 특정한 콘크리트의 pH에 의해 시작된다. 세포들이 분열되면서 콘크리트의 균열에 침투하고 서로 무리지어 바닥을 지지하게 된다. 이러한 활동이 콘크리트 수리 과정을 활성화한다. 이는 탄산칼슘, 보강섬유, 결합제와는 구별된다. 이 세포들은 콘크리트가 콘크리트로부터 멀어지는 것을 막고 인접한 물체에 영향을 미치지 못하도록 막는 내장형 유전자를 가지고 있다. 박테리아는 단지 우리의 손을 씻어내야 하거나 소화기관에만 존재하는 것이 아니다. 누가 박테리아를 건물을 보강하는데 사용될 수 있다고 생각했을까? 바이오시멘트는 외부에서 같은 일을 하기 위해 개발되고 있다. 압력 변화에 대응하도록 설계된 세포는 토양에 추가되며, 토양에 가해지는 무게가 토양을 형성하고, 토양을 강화하고, 위에 건축물을 보강한다.

바이오디자인 팀은 소위 ‘컴퓨팅 콜로이드(Computational Colloids)’ 프로젝트를 통해 토양에 해수면 기압의 10배의 압력을 가했다. 그 결과 연구팀은 3배 이상의 압력변화에 반응하여 활성이 증가하는 유전자 122개를 확인하는데 성공했다. 연구팀은 박테리아 유전자를 수정하였고, 그 유전자들 중 하나를 활성화시키는 조절 DNA를 형광단백질(생성될 때 빛을 발하는 단백질)을 생성하는 유전자에 달라붙어 있었다. 그러고 나서 박테리아가 들어있는 하이드로젤에 압력을 가하자, 압력이 증가할수록 형광은 더욱 증가하는 것으로 밝혀졌다. 이렇게 빛이 나는 토양의 쓰임새는 무엇인가? 그렇지 않다.

이번 연구의 목표는 본질적으로 바이오시멘트를 만드는 변형 단백질 유전자를 대체하는 ‘생각하는 토양’을 창조하는 것이다. 토양 기반 박테리아를 기초로 하는 미생물을 응용하기보다는, 토양이 필요로 하는 박테리아를 생성하는 것이다. 이 방법은 위험한 지반 침하 지역의 건물을 보강하는 것 외에도, 지진 지역에서 지반이 유용할 수 있다. 연구팀은 이상의 연구결과를 미국 미시건 주에서 열린 ‘컴퓨터를 이용한 건축설계협회’에서 발표했다.

큰 지진이 일어난 후 건물들이 무너지는 것은 매우 흔한 일이다. 왜냐하면 건물의 기초의 크랙을 수리할 수 있고 건물을 구조적으로 복원시킬 수 있는 손쉬운 방법이 없기 때문이다.


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