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물속의 식물과 암석이 빛과 그림자의 다양한 패턴을 생성하기 때문에 박테리아가 빛을 향해 더 잘 방향을 잡을 수 있다

건축가로서의 빛을 걷는 박테리아
박테리아 그룹의 자체 조직으로 인한 복잡한 구조

이러한 기하학적 모양은 예술적인 조명 설치물이 아니라 Oscillatoria lutea 종의 담수 남조류에 의해 만들어졌다. 그들은 광합성을 위해 빛을 사용하고 조명 조건이 유리한 곳에 그룹으로 모인다. 이는 이러한 추상 패턴과 같은 복잡하고 안정적인 구조를 생성한다. 

▲ 필라멘트성 시아노박테리아는 조명이 있는 모양의 가장자리에 특징적인 패턴을 형성하지만 스스로 앞뒤로만 이동할 수 있다. © MPI-DS

빛 속에 도달하거나 빛 속에 머무르기 위해 시아노박테리아는 필라멘트(앞이나 뒤로 이동하는 데 사용할 수 있는 표면의 길고 유연한 실 모양 구조)를 사용한다. 괴팅겐에 있는 막스 플랑크 역학 및 자기조직 연구소(Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization)의 연구원들이 발견한 것처럼, 미생물은 항상 조명된 표면의 내부 가장자리를 따라 스스로 정렬된다.

출현(Emergence): 개별 서비스로 구성된 전체 구조

박테리아 배양에서 어떤 빛 패턴이 우세한지에 따라 약 20시간 후에 미생물 구조에 다양한 모양과 패턴이 나타난다. 실험에서 이들은 원, 삼각형, 사다리꼴 또는 기타 기하학적 모양이었다. 전체 빛 표면에 군집을 형성하는 대신 시아노박테리아는 고리 모양의 구조나 해당 표면 모양의 윤곽만 형성했다.

Max Planck Institute의 Stefan Karpitschka는 "이것은 출현의 전형적인 예다. 특징적인 전체 구조는 단일 필라멘트의 개별 동작과 독립적으로 더 높은 수준에서 발생한다"고 설명했다.

빛 가장자리의 각도와 모양에 따라 서로 다른 필라멘트가 서로 겹치거나 밀어낸다. 이러한 상호 작용을 통해 박테리아는 가장자리에 최대한 가깝게 위치할 수 있다. 구조를 안정적으로 유지하기 위해 그룹 내 시아노박테리아 표면의 개별 필라멘트는 서로 다른 방향을 가리킨다. 방향에 따라 연구자들은 이미지의 필라멘트를 다르게 색칠해 실제로 무색의 박테리아 배양물이 다채로운 모습으로 나타난다.

신소재에 대한 영감

자연에서 연구된 시아노박테리아는 이러한 유형의 조직과 집합체를 사용하여 물에 그룹으로 떠다니는 것 같다. 연구팀은 물속의 식물과 암석이 빛과 그림자의 다양한 패턴을 생성하기 때문에 박테리아가 빛을 향해 더 잘 방향을 잡을 수 있다고 의심한다.

이번 연구 결과는 향후 소위 스마트 직물이나 기타 직물을 개발하는 데 사용될 수 있다. 왜냐하면 이것들은 또한 개별 섬유와 필라멘트의 배열을 기반으로 하기 때문이다. 따라서 박테리아에서 관찰되는 자기 조직화 메커니즘은 새로운 물질의 개발을 가능하게 할 수 있다.
(nature communications, 2024; doi: 10.1038/s41467-024-52936-9)
출처: 막스 플랑크 역학 및 자기 조직 연구소(MPI-DS)
Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation (MPI-DS)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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