일본 토호쿠대학 생명과학부와 다원 물질과학 연구소, 옥스퍼드 대학은 공동 연구를 통해 자연계에서는 수소 이온 흐름만을 에너지원으로 이용하는 대장균 편모 모터를 나트륨 이온 흐름도 동시에 이용할 수 있는 "하이브리드 엔진"처럼 기능하게 하는데 성공했다. 이 연구 성과는 미국 과학 저널 "Proceedings of the National Academy of Sciences"의 온라인 판에 2014년 2월 17일 15:00시에 공개되었다. 

대장균을 비롯한 많은 박테리아는 편모라고 불리는 나선형의 섬유를 스크류처럼 회전시켜 수중을 헤엄치고 보다 좋은 환경으로 이동한다. 편모의 회전은 그 근원의 세포막에 묻혀 있는 직경이 불과 45nm의 편모 모터에 의해 구동된다(그림1). 대장균 편모 모터는 매분 약 2만 회전으로 F1엔진에도 필적하는 고속 구동을 하면서 순식간에 회전 방향을 선회하고 100%에 가까운 효율로 에너지를 변환할 수 있는, 우리 기술로는 이룰 수 없는 고성능 나노 머신이다. 
그런데, 편모 모터의 구조를 살펴보면 의외로 인공 모터와의 공통성이 보인다. 즉, 편모 섬유로 연결되는 "회전자"와 그 주위를 둘러싸고 배치된 여러 개의 "고정자"로 구성되어 있다. 단지, 회전을 위한 에너지원은 전류(전자의 흐름)가 아니라 수소 이온 또는 나트륨 이온의 흐름이다. 대장균의 편모 모터는 수소 이온만을 통과시키는 고정자(MotAMotB)를 가진다. 에너지 변환 기구인 핵심 고정자에 관한 연구는 활발하게 진행되고 있는데, 그 중에서도 특히 흥미로운 성과로서 대장균 편모 모터의 회전자와 상호 작용하고 나트륨 이온으로 추진할 수 있도록 유전자 조작된 고정자(PomAPotB)가 있었다. 

이 연구에서는 대장균이 본래 가진 수소 이온 고정자(MotAMotB)와 유전자 조작 나트륨 이온 고정자(PomAPotB)를 대장균 편모 모터 회전자와 동시에 상호 작용시킬 수 있는지 시험해 보았다. 모터 1개의 회전을 관찰한 결과 수소 이온, 나트륨 이온 양쪽의 에너지원을 이용해서 회전하는 "하이브리드 에너지형 모터"로서 기능한다는 것이 밝혀졌다.(그림2) 자세한 해석에 의해 수소 이온 고정자와 나트륨 이온 고정자가 발생시키는 회전력 특성은 다르지만, 그것들이 동시에 상호 작용할 때는 서로를 간섭하지 않고 가산적으로 기능하는 유연한 기구를 갖추고 있다는 것이 밝혀졌다. 게다가 나트륨 이온 농도가 높을 때는 나트륨 이온 고정자가 더 큰 회전력을 발생시키고, 반대로 나트륨 이온 농도가 낮은 때는 수소 이온 고정자가 더 큰 회전력을 발생시키는데, 외부 환경의 나트륨 이온 농도에 의존해 모터 내의 고정자가 다이나믹하게 바뀌어져 재배치되어 모터의 회전 출력이 자동적으로 최적화된다는 것을 알 수 있었다. 

이렇게 입력 에너지에 따라 유연하게 시스템의 성능을 최적화시키는 구조는 향후 인공적 나노 머신을 설계하는 데 중요한 지식을 줄 수 있을 것으로 기대된다. 

또, 이번 연구에서는 대장균 내에서 기능하는 하이브리드 모터를 인공적으로 만들었는데, 자연계에는 여러 종류의 고정자를 가진 박테리아가 존재한다. 이들 박테리아 편모 모터도 환경에 의존해 모터 출력을 조절하고 있지는 않을지 예상되어 박테리아의 생존 전략을 고찰하는 데도 중요한 결과라고 생각된다. 

* 자료 - KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑