수정된 달걀은 병아리가 부화할 때 안에서 깰 수 있을 만큼 약하면서도 동시에 외부에서 균열이 일어나지 않게 견딜 수 있을까? 캐나다 맥길대 연구진의 연구에 따르면 이 모든 것은 달걀껍질의 나노 구조 덕분이다.
지난 3월 30일 국제학술지 ‘사이언스 어드밴스’에 실린 연구 결과는 농업의 식품 안전에 중요한 의미를 가질 수 있다.
How is it that fertilized chicken eggs manage to resist fracture from the outside, while at the same time, are weak enough to break from the inside during chick hatching? It’s all in the eggshell’s nanostructure, according to a new study led by McGill University scientists.
새들은 수백만 년의 진화를 통해 완벽한 알껍데기를 만들 수 있었다. 태아의 성장을 위한 얇은 생광물성 보호실은 병아리의 성장에 필요한 모든 영양분을 갖고 있다. 알껍데기는 너무 강하지도 않고 부화까지 균열에 견딜 수 있을 만큼 너무 약하지도 않다(동화 ‘골디락스와 세 마리의 곰’에서 ‘딱 맞아(just right)’라고 할 때의 적절함이다).
하지만 어떻게 새의 알껍데기는 이러한 독특한 특징을 갖게 됐을까?
캐나다 맥길대 치의학과의 마크 맥키 교수는 공대 리처드 크로믹 교수 등과 함께 새로운 시료 준비법을 이용해 달걀껍데기의 내부 구조를 분석해 분자 나노구조와 역학적인 특성을 밝혀냈다.
맥길대 해부학과 세포생물학과 교수이기도 한 맥키 교수는 “달걀껍데기는 전자현미경으로 촬영하려고 박막을 채취하려면 깨지기 쉬워 전통적인 방법으로 연구하기 어렵기도 악명이 높다”며 “맥길대 전자현미경연구실의 최신 장비인 집속 이온빔 절단 시스템 덕분에 달걀껍데기 내부 박막을 정확하게 잘라내 촬영할 수 있었다”고 말했다.
달걀껍데기는 단백질과 같은 유기물과 칼슘성분의 광물 같은 무기물을 모두 갖고 있다. 논문의 제1저자인 대학원생 디미트라 아타나시아도우는 달걀껍데기의 강도를 결정하는 핵심 요인이 뼈와 같은 생체물질의 구성성분이기도 한 알껍데기 단백질 오스테오폰틴이 나노 구조 광물과 결합한 형태임을 밝혀냈다.
달걀 생물학을 엿보다
이번 연구결과는 닭의 수정란과 부화된 알의 발생과 생물학에 대한 통찰력도 제공한다. 달걀은 암탉이 낳거나 품을 때 깨지지 않을 만큼 충분히 단단하다. 달걀껍데기 안에서 병아리가 자랄 때는 뼈를 만들 칼슘이 필요하다. 부화 과정에서 달걀껍데기의 안쪽이 녹아내려 뼈 성장에 필요한 광물성 이온을 제공한다. 이는 동시에 부화하는 병아리가 깰 수 있을 만큼 달걀껍데기를 약하게 한다. 원자현미경과 전자현미경, X선 촬영을 통해 맥키 교수 연구진은 이와 같은 두 가지의 기능이 부화과정에서 일어나는 달걀껍데기 나노구조의 미세한 변화 때문이라는 사실을 밝혀냈다.
지난 3월 30일 국제학술지 ‘사이언스 어드밴스’에 실린 연구 결과는 농업의 식품 안전에 중요한 의미를 가질 수 있다.
How is it that fertilized chicken eggs manage to resist fracture from the outside, while at the same time, are weak enough to break from the inside during chick hatching? It’s all in the eggshell’s nanostructure, according to a new study led by McGill University scientists.
The findings, reported today in Science Advances, could have important implications for food safety in the agro-industry.
Birds have benefited from millions of years of evolution to make the perfect eggshell, a thin, protective biomineralized chamber for embryonic growth that contains all the nutrients required for the growth of a baby chick. The shell, being not too strong, but also not too weak (being “just right” Goldilocks might say), is resistant to fracture until it’s time for hatching.
But what exactly gives bird eggshells these unique features?
To find out, Marc McKee’s research team in McGill’s Faculty of Dentistry, together with Richard Chromik’s group in Engineering and other colleagues, used new sample-preparation techniques to expose the interior of the eggshells to study their molecular nanostructure and mechanical properties.
“Eggshells are notoriously difficult to study by traditional means, because they easily break when we try to make a thin slice for imaging by electron microscopy,” says McKee, who is also a professor in McGill’s Department of Anatomy and Cell Biology.
“Thanks to a new focused-ion beam sectioning system recently obtained by McGill’s Facility for Electron Microscopy Research, we were able to accurately and thinly cut the sample and image the interior of the shell.”
Eggshells are made of both inorganic and organic matter, this being calcium-containing mineral and abundant proteins. Graduate student Dimitra Athanasiadou, the study’s first author, found that a factor determining shell strength is the presence of nanostructured mineral associated with osteopontin, an eggshell protein also found in composite biological materials such as bone.
A glimpse into egg biology
The results also provide insight into the biology and development of chicken embryos in fertilized and incubated eggs. Eggs are sufficiently hard when laid and during brooding to protect them from breaking. As the chick grows inside the eggshell, it needs calcium to form its bones. During egg incubation, the inner portion of the shell dissolves to provide this mineral ion supply, while at the same time weakening the shell enough to be broken by the hatching chick. Using atomic force microscopy, and electron and X-ray imaging methods, Professor McKee’s team of collaborators found that this dual-function relationship is possible thanks to minute changes in the shell’s nanostructure that occurs during egg incubation.
In parallel experiments, the researchers were also able to re-create a nanostructure similar to that which they discovered in the shell by adding osteopontin to mineral crystals grown in the lab. Professor McKee believes that a better understanding of the role of proteins in the calcification events that drive eggshell hardening and strength through biomineralization could have important implications for food safety.
“About 10-20% of chicken eggs break or crack, which increases the risk of Salmonella poisoning,” says McKee. “Understanding how mineral nanostructure contributes to shell strength will allow for selection of genetic traits in laying hens to produce consistently stronger eggs for enhanced food safety.”
This work was primarily supported by grants from the Natural Sciences and Engineering Research Council and the Canadian Institutes of Health Research.
“Nanostructure, Osteopontin and Mechanical Properties of Avian Calcitic Eggshell,” by D. Athanasiadou et al., Science Advances
하지만 어떻게 새의 알껍데기는 이러한 독특한 특징을 갖게 됐을까?
캐나다 맥길대 치의학과의 마크 맥키 교수는 공대 리처드 크로믹 교수 등과 함께 새로운 시료 준비법을 이용해 달걀껍데기의 내부 구조를 분석해 분자 나노구조와 역학적인 특성을 밝혀냈다.
맥길대 해부학과 세포생물학과 교수이기도 한 맥키 교수는 “달걀껍데기는 전자현미경으로 촬영하려고 박막을 채취하려면 깨지기 쉬워 전통적인 방법으로 연구하기 어렵기도 악명이 높다”며 “맥길대 전자현미경연구실의 최신 장비인 집속 이온빔 절단 시스템 덕분에 달걀껍데기 내부 박막을 정확하게 잘라내 촬영할 수 있었다”고 말했다.
달걀껍데기는 단백질과 같은 유기물과 칼슘성분의 광물 같은 무기물을 모두 갖고 있다. 논문의 제1저자인 대학원생 디미트라 아타나시아도우는 달걀껍데기의 강도를 결정하는 핵심 요인이 뼈와 같은 생체물질의 구성성분이기도 한 알껍데기 단백질 오스테오폰틴이 나노 구조 광물과 결합한 형태임을 밝혀냈다.
달걀 생물학을 엿보다
이번 연구결과는 닭의 수정란과 부화된 알의 발생과 생물학에 대한 통찰력도 제공한다. 달걀은 암탉이 낳거나 품을 때 깨지지 않을 만큼 충분히 단단하다. 달걀껍데기 안에서 병아리가 자랄 때는 뼈를 만들 칼슘이 필요하다. 부화 과정에서 달걀껍데기의 안쪽이 녹아내려 뼈 성장에 필요한 광물성 이온을 제공한다. 이는 동시에 부화하는 병아리가 깰 수 있을 만큼 달걀껍데기를 약하게 한다. 원자현미경과 전자현미경, X선 촬영을 통해 맥키 교수 연구진은 이와 같은 두 가지의 기능이 부화과정에서 일어나는 달걀껍데기 나노구조의 미세한 변화 때문이라는 사실을 밝혀냈다.
연구진은 실험실에서 광물 결정을 성장시키면서 오스테오폰틴 단백질을 추가하는 방식으로 이번에 알아낸 달걀껍데기의 내부와 유사한 나노 구조를 재현했다. 맥키 교수는 생체광물화를 통해 달걀껍데기를 단단하게 하는 칼슘화 과정에서 단백질의 역할을 더 잘 이해하면 식품 안전에 중요한 의미를 미칠 수 있다고 믿는다.
맥키 교수는 “달걀 중 10~20%가 깨지거나 금이 가 식중독균인 살모넬라균에 감염될 위험성이 높아진다”며 “달걀껍데기의 강도에 기여하는 광물의 나노 구조를 이해하면 더 단단한 알을 낳을 수 있는 유전적 특성을 가진 암탉을 골라내 식품 안전을 더 강화할 수 있다”고 말했다.
📝📷 Story & image Source : mcgill university/newsroom
맥키 교수는 “달걀 중 10~20%가 깨지거나 금이 가 식중독균인 살모넬라균에 감염될 위험성이 높아진다”며 “달걀껍데기의 강도에 기여하는 광물의 나노 구조를 이해하면 더 단단한 알을 낳을 수 있는 유전적 특성을 가진 암탉을 골라내 식품 안전을 더 강화할 수 있다”고 말했다.
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https://www.mcgill.ca/newsroom/channels/news/cracking-eggshell-nanostructure-286264
https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=5147499&cid=59948&categoryId=59984
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