마르쿠안도마이세스 속 균류, 생체 재료로서 새로운 가능성 제시

우타 대학교의 새로운 연구에 따르면, 토양에서 흔히 발견되는 곰팡이 비율에 해당하는 마르쿠안도마이세스 마르쿠안디(Marquandomyces marquandii)가 생체 재료로서의 가능성을 보여주고 있다는 사실이 밝혀졌다.

이 연구는 균류가 어떻게 죽은 유기물을 분해하고 이를 영양소로 재활용하는지에 대한 기존의 이해에 추가적인 영향을 미친다.

최근 몇 년 동안 과학자들은 균사(mycelium)라 불리는 곰팡이의 뿌리처럼 생긴 실타래들이 구조적 특성에 대해 연구해왔다. 이들은 건축재료로 사용할 수 있을 것이라는 기대를 모으고 있다.

우타 대학교의 기계공학과와 생물학과의 연구팀은 무수히 많은 수분을 함유하고 인체 조직의 부드러움과 유연성을 모방하는 수화겔(hydrogels)로 성장할 수 있는 마르쿠안도마이세스의 성장을 실험실에서 입증했다.

연구의 주요 저자인 아툴 아그라왈(Atul Agrawal)은 M. 마르쿠안디가 두꺼운 다층 수화겔을 생성하여 최대 83%의 수분을 흡수하고 스트레스를 받거나 늘어났을 때 원래 형태로 회복된다고 설명했다.

이는 조직 재생, 세포 성장을 위한 스캐폴드 및 유연한 착용 가능한 장치와 같은 생체 의학적 응용에 매우 적합한 후보가 될 수 있다.

아그라왈은 “여기 보이는 것이 다층 수화겔이다”라며, 유황색 액체 배지에서 자라고 있는 균류 콜로니가 담긴 유리 플라스크를 들었다.

“이것은 육안으로 확인할 수 있으며, 이 여러 층들은 서로 다른 다공성을 가지고 있다. 위쪽 층은 약 40%의 다공성을 지니고 있고, 그 뒤에는 90%와 70% 다공성의 교대층이 있다.”

바이오 영감을 받은 재료 개발을 위해 인체의 구조적 적용을 연구해 온 아그라왈과 그의 지도 교수인 스티븐 날레웨이(Steven Naleway)는 마르쿠안도마이세스 속 균류에 대한 발견으로 특허 보호를 구하고 있다.

날레웨이는 “이 균류는 우리가 관심을 가지고 있는 큰, 두꺼운 균사층을 성장시키는 능력이 있었다”고 전했다.

“균사는 주로 키틴(chitin)으로 구성되어 있으며, 이는 조개 껍데기와 곤충 외골격에 있는 성분과 유사하다. 생체 적합성이 있으며, 또한 매우 스펀지 같은 조직이다. 이론적으로 생체 응용을 위한 템플릿으로 사용할 수 있거나 미네랄화시켜 뼈 스캐폴드를 생성할 수 있다.”

균은 생물의 왕국에 속하며, 약 2.2백만에서 3.8백만 종이 추정되지만, 과학자들이 특성화한 것은 겨우 4%에 불과하다.

수십 년 동안 과학자들은 펜실린에서 LSD에 이르는 다양한 약리 물질을 균으로부터 유도해왔다. 날레웨이는 이제 균류 미세구조에서 다른 분야로 응용할 수 있는 가능성을 탐구하고 있다.

M. 마르쿠안디에 대한 연구는 생물학적 물질을 활용하여 생체 모사 소재를 개발하는 날레웨이 교수의 연구실에서 나온 최신 논문 중 하나이다.

날레웨이와 그 팀은 다양한 균류의 구조적 특성을 문서화한 여러 논문을 발표해왔다. 이들은 짧은 균사를 성장시키는 균이 긴 균사를 가진 균보다 강도가 더 크다는 것을 입증한 논문과, 항목을 포함한 가벼운 무게 대비 강도가 높은 지지대 같은 응용을 제시한 논문 등을 발표했다.

균사들이 자라는 방식은 균사가 유용한 구조적 특성을 가질 수 있는 이유이다.

뮤콜리스트 브린 댄팅거(Bryn Dentinger)와 공동 작업을 통해, 균사들이 영양소가 충분하다면 계속해서 자랄 수 있다는 사실을 발견했다.

이와는 다른 동물들과 식물들은 일반적으로 세포가 분화되고 정지된 단계에서 멈춘다. 하지만 균류는 변화할 수 있는 세포가 원래 상태로 되돌아갈 수 있는 능력이 있다.

이러한 변화 가능성이 큰 이점으로 작용할 수 있다.”고 댄팅거는 말했다.

이 연구의 발견은 우연한 사고에 의해 이루어졌다. 과학자들은 처음에 항공 연료에 오염되는 물질인 ‘항공 유류 곰팡이’를 연구하고 있었다.

하지만 그들이 지속적으로 성장하는 문화에서 이상한 성장 패턴이 나타나는 것을 관찰했다.

댄팅거는 이 신비한 균류가 마르쿠안도마이세스임을 정확히 식별했다.

그는 “균류에 대한 이해가 아직 매우 부족하다”며, “문화 및 표본 수집에서 오인 식별이 빈번히 발생한다”고 덧붙였다.

연구 결과, 이 균사 배양에서 비정상적으로 높은 친수성을 보여주었으며, 83%의 수분을 보유하면서 그 형태를 유지할 수 있었다.

아그라왈은 “우리 연구에서 흥미로운 점은 이 균류 자체가 매우 조직화된 구조를 만들어냈다는 것이다”라고 밝혔다.

마르쿠안도마이세스는 일반적으로 연구되는 균류인 갠오데르마(Ganoderma)나 플레우로투스(Pleurotus)보다 물 보유력이 제한된 것으로 나타났다.

실험에서 수화겔은 스트레스 후 93%의 형태와 강도를 회복하는 능력을 보여주었다.

아그라왈은 “이 균사 콜로니가 서로 연결되어 있기 때문에 이 구조를 유지할 수 있었다”며, “우리가 확인한 바에 따르면, 이러한 다층 구조에서 응력 집중이 고르게 분배된다”고 설명했다.

그는 “우리가 기계적 스트레스를 가할 때 신뢰성 있는 역학적 성능을 위해 도움을 준다”고 덧붙였다.

이 연구는 ‘순수 균사에 의해 구축된 다층, 기능적으로 그래디언트가 있는 유기 생명체 수화겔’이라는 제목으로 JOM, The Journal of the Minerals, Metals & Materials Society에 8월 27일 온라인으로 게재되었으며, 12월 특별호에 실릴 예정이다.

이 연구는 국립과학재단 및 미국화학회로부터 자금을 지원받았다.

덴팅거 연구실의 학부생인 토마 입센(Toma Ipsen)도 공동 저자이다.

이 발표 사진에는 스티브 날레웨이 교수와 아툴 아그라왈이 균사 배양을 살펴보고 있는 모습이 담겨있다.

이미지 출처：attheu