- DGIST 핵심단백질자원센터 최성균 센터장·경북대 박진교 교수 공동 연구팀, 2차 미세플라스틱이 인체에 미치는 악영향 규명
- 환경에 의해 자연적으로 변하는 2차 미세플라스틱 생성 모델 확립해 미세플라스틱의 유해성 조명 

DGIST(총장 국양) 핵심단백질자원센터 최성균 센터장, 경북대학교(총장 홍원화) 수의학과 박진규 교수 연구팀은 환경으로 유입된 플라스틱이 2차 미세플라스틱으로 변화하는 과정을 실험실 수준에서 구현하고, 이를 지속적으로 섭취 시, 뇌 안에서 신경독성 물질로 작용한다는 것을 규명했다고 밝혔다.  

연간 8백만 톤이 버려지고 있는 플라스틱은 자외선과 파도 등에 의해 매우 작은 조각들로 부서져 2차 미세플라스틱으로 바뀐다. 이를 플랑크톤 등 하위 생명체들이 섭취하게 되고, 결국에는 먹이 사슬 최상위에 위치한 인간에게까지 위협을 준다.

DGIST 최성균 센터장․경북대학교 박진규 교수 공동 연구팀은 환경으로 유출된 플라스틱으로부터 자연 풍화로 인해 생성된 2차 미세플라스틱의 유해성을 확인하고자했다. 우선, 자연과 같은 환경을 구축하기 위해 분쇄한 미세플라스틱에 7일 동안 자외선 조사 및 물리적 충격을 가하여 인위적으로 자연 풍화에 의한 것과 같은 2차 미세플라스틱을 제작했다. 이를 통해 환경으로 유출된 플라스틱이 자외선, 파도 등의 환경적 요인에 의해 화학적 물리적 변화가 일어나는 현상을 실험실 수준에서 모방한 생성 모델을 확립했다.

이후 공동 연구팀은 2차 미세플라스틱의 유해성을 파악하기 위해 쥐에게 100㎛ 이하의 미세플라스틱을 7일 동안 경구 투여하는 실험을 진행했다. 그 결과, 2차 미세플라스틱 섭취 그룹에서 외부 뇌 조직에서 신경변성과 세포사멸에 관련된 염증성 단백질 발현 증가 및 염증 완화 단백질 발현 감소를 확인했다.

나아가 공동 연구팀은 뇌에서 염증반응을 조절하는 미세아교세포에 자연 풍화 2차 미세플라스틱이 미치는 영향을 규명하기 위해 인간 미세아교세포주(HMC-3)를 이용하여 실험을 진행했다. 그 결과, 2차 미세플라스틱이 뇌의 염증 반응 조절을 담당하고 있는 미세아교세포를 자극해 뇌의 염증반응을 유도하는 것을 확인했다. 이는 2차 미세플라스틱이 뇌에 잠재적인 신경독성 물질로 작용할 수 있다는 것을 시사한다.

DGIST 최성균 센터장은 “환경으로 유출된 플라스틱이 풍화가속 과정을 거쳐 2차 미세플라스틱이 되고, 이것이 뇌에 염증반응과 세포사멸을 증가시키는 신경독성 물질로 작용할 수 있다는 것을 프로테오믹스 기반 분석을 통해 최초로 규명해냈다”라며, “자연환경에서 노출될 수 있는 2차 미세플라스틱이 뇌에 더 심한 염증반응을 유도한다는 점에서 미세플라스틱의 유해성이 매우 우려 된다”라고 말했다.

한편, 이번 연구는 DGIST 융합연구원 중점연구 기관고유사업의 지원을 받아 수행됐으며, DGIST 핵심단백질자원센터 김희연 연구원이 제1저자, DGIST 최성균 센터장, 경북대학교 수의학과 박진규 교수가 교신저자로 참여했다. 연구 결과는 환경 분야 세계적 학술지인 ‘Environmental Research’에 온라인 게재되었으며, 생물학연구정보센터(BRIC)의 '한빛사(한국을 빛내는 사람들)'에 등재됐다.

연 구 결 과 개 요

A preliminary study about the potential risks of the UV-weathered microplastic: The proteome-level changes in the brain in response to polystyrene derived weathered microplastics

Hee-Yeon Kim1, Janbolat Ashim1, Song Park1, Wansoo Kim, Sangho Ji, Seoung-Woo Lee, Yi-Rang Jung, Sang Won Jeong, Se-Guen Lee, Hyun-Chul Kim, Young-Jae Lee, Mi Kyung Kwon, Jun-Seong Hwang, Jung Min Shin, Sung-Jun Lee*, Wookyung Yu*, Jin-Kyu Park*, Seong-Kyoon Choi1*
(1제1저자, *교신저자)
(Environmental Research, on-line published on 2023)

플라스틱의 사용증가로 인한 미세플라스틱과 관련된 위험성이 계속해서 증가되고 있다. 자외선, 바람 등의 환경적 요인들은 미세플라스틱을 풍화가속 미세플라스틱이라는 더 작은 입자로 변화시키며 미세플라스틱의 독성 또한 증가시킨다. 풍화가속 미세플라스틱의 신경독성 기전에 대해서는 아직 명확하게 밝혀지지 않았다. 따라서 본 연구에서는 풍화가속 미세플라스틱을 실험실 환경에서 모방하여 제작하였으며, 일반 미세플라스틱과의 화학적 물리적 변화를 비교하고, 생물에 미치는 영향의 차이를 분석하였다. 100㎛ 이하의 일반 미세플라스틱과 풍화가속 미세플라스틱을 마우스에 7일 동안 경구투여 한 뒤, 프로테오믹스 분석을 한 결과, 면역, 신경퇴행과 관련된 경로가 일반 미세플라스틱과 비교하여 유의하게 증가하였다. 또한, 인간 미세아교세포 HMC-3 세포주를 사용하여 100㎛ 이하의 미세플라스틱을 처리하였을 때, 풍화가속 미세플라스틱을 처리한 그룹은 일반 미세플라스틱을 처리한 그룹과 비교하여 더 심한 염증반응을 보임으로써 풍화가속미세플라스틱은 더 강한 염증인자라는 것을 증명하였다. 이러한 결과는 풍화가속 미세플라스틱의 독성을 입증하며, 생태계 내에 존재하는 풍화가속 미세플라스틱이 인간에게 잠재적 위험인자임을 제시하였다.

연 구 결 과 문 답

이번 성과 무엇이 다른가

 현재까지 풍화가속 미세플라스틱의 뇌 내 유해성에 대한 연구는 진행된 바 없다. 본 연구는 일반 미세플라스틱과 비교하여 풍화가속 미세플라스틱 노출에 의한 뇌의 반응을 단백질체학 분석 기반으로 확인하였다. 이를 통해 실제 인체에 직접적으로 노출될 가능성이 큰 풍화가속 미세플라스틱의 잠재적인 뇌 내 유해성을 제시하였다.

어디에 쓸 수 있나

 현재 일상생활 속에 광범위하게 퍼져있는 풍화가속 미세플라스틱의 위해성에 관련된 연구는 매우 부족하다. 또한 인체 내 미세플라스틱 장기 축적에 의한 위해성과 이로 인해 유발되는 질병 기전을 규명하는 데에 활용될 수 있다. 

실용화까지 필요한 시간과 과제는

현재 미세플라스틱의 인체 위해성에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있지만, 명확히 밝혀진 바가 없다. 따라서, 오랜 기간을 걸쳐 미세플라스틱의 위해성 평가 및 미세플라스틱에 의해 발병되는 질병에 관한 연구가 필요하다.

연구를 시작한 계기는

플라스틱의 편리성으로 다양한 분야에서 생산과 소비가 점점 증가하고 있다. 사용된 플라스틱은 극히 일부만이 재활용이 되고 매립이나 바다로 유입이 된다. 최근에는 일반적인 플라스틱보다 자외선이나 파도 등에 의해 부서진 풍화가속 미세플라스틱의 위험성이 대두되고 있는데, 이는 잘게 부서진 미세플라스틱을 해양생물이 섭취하게 되고 최종적으로 인간에게 축적되기 때문이다. 이렇게 미세플라스틱 위험성이 대두되었지만, 정확한 위해성 평가 및 평가 지표개발이 부족하였기에 해당 연구를 수행하였다.

어떤 의미가 있는가

 방대한 양의 미세플라스틱이 바다, 담수에 오염되어 있으며, 미세한 크기로 다양한 범위의 바다생물이 섭취할 수 있다. 최종적으로는 먹이 사슬에 의해 인간이 미세플라스틱을 최종적으로 섭취하게 된다. 현재 다양한 생물종 내 장기에 미세플라스틱 축적이 보고되고 있지만, 뇌 내 축적 및 관련 질환 메커니즘에 대한 규명은 미비한 상황이다. 따라서, 해당 연구는 앞으로 미세플라스틱 섭취에 의한 뇌질환 발병 원인 규명에 이바지할 수 있다.

꼭 이루고 싶은 목표는

 실험동물을 이용하여 미세플라스틱의 혈관-뇌장벽을 통과하는 메커니즘을 규명하고, 독성물질이 포함된 미세플라스틱 섭취 시 미세아교세포의 반응을 규명하며, 미세플라스틱의 축적에 따른 생체지표 분석 및 위험성 분석방법을 개발하고자한다.
 

[그림 1] 2차 미세플라스틱의 물리화학적 변화 및 뇌의 염증반응 변화 모식도
(그림설명) 미세플라스틱의 풍화가속에 따른 물리적 변화를 확인하였으며, 2차 미세플라스틱은 일반 미세플라스틱과 비교하여 뇌 및 미세아교세포 활성화를 통한 염증반응을 증가시키는 것을 프로테오믹스 기반으로 분석하였다.
 

[그림 2] 미세플라스틱 모델 확립 및 쥐의 뇌 그리고 미세아교세포의 변화
(그림설명) 미세플라스틱의 풍화가속에 따른 물리적 화학적 변화 (왼쪽)와 쥐에 7일 동안 경구투여 한 뒤, 프로테오믹스 및 면역반응분석법(중앙)을 활용하여 염증반응 및 세포사멸관련 단백질의 증가되는 현상을 확인하였다. 인간 미세아교세포에 미세플라스틱을 노출시켰을 때, 일반 미세플라스틱과 비교하여 2차 미세플라스틱이 더 강한 염증반응을 유도하는 것을 확인하였다(오른쪽).