매일 버려지는 커피 찌꺼기가 신경계 세포를 보호하고 신경재생 연구에 활용할 수 있는 바이오소재로 다시 태어날 가능성이 제시됐다.
고려대학교 구로병원 신경과 김치경 교수와 의생명연구센터 두현명 연구교수, 공주대학교 신소재공학부 최종섭 교수 공동연구팀은 커피 찌꺼기로 만든 나노소재가 세포 내 활성산소를 줄이고 신경계 세포의 성장과 분화에 영향을 줄 수 있다는 사실을 확인했다.
연구팀이 주목한 것은 탄소로 이뤄진 나노 크기 입자인 '탄소점(Carbon Dots)'이다. 생체적합성이 높아 바이오·의료 분야에서 활용 가능성이 연구되고 있는 소재다.
연구팀은 커피 찌꺼기와 시금치에서 각각 탄소점을 만들어 특성을 비교했다. 그 결과 커피 찌꺼기에서 만든 탄소점이 시금치 유래 탄소점보다 높은 항산화 효과를 나타냈다.
특히 가장 높은 농도에서 커피 찌꺼기 탄소점의 항산화 활성은 64.39%로 나타나 같은 조건에서 대표적인 항산화 물질인 비타민C의 69.15%에 근접했다.
■ 활성산소 감소…신경계 세포 분화에도 변화
연구팀은 이어 다양한 신경계 세포로 자랄 수 있는 사람의 신경전구세포에 커피 찌꺼기 탄소점을 처리해 변화를 관찰했다.
그 결과 세포 손상을 일으킬 수 있는 활성산소가 감소했다. 탄소점 농도가 높아질수록 신경전구세포가 성상교세포로 분화하는 경향도 강해졌다.
성상교세포는 뇌와 척수에서 신경세포를 보호하고 주변 환경을 안정적으로 유지하는 데 중요한 역할을 한다.
산화스트레스를 인위적으로 유발한 환경에서도 변화가 확인됐다. 연구팀이 산화스트레스를 유발한 세포에 커피 찌꺼기 탄소점을 처리하자 성상교세포로의 분화가 다시 증가했으며 신경독성과 염증 반응에 관련된 주요 유전자 발현은 감소했다.
연구팀은 커피 찌꺼기 탄소점이 세포 성장과 분화에 관여하는 신호를 활성화하고 세포 보호에 관련된 단백질 발현을 증가시키는 과정도 확인했다.
이는 커피 찌꺼기에서 얻은 탄소점이 활성산소 감소뿐 아니라 산화스트레스 환경에서 나타나는 세포 반응에도 영향을 줄 가능성을 보여주는 결과다.
■ '폐기물→바이오소재'…신경재생 연구로 확장 가능성
이번 연구가 주목되는 또 다른 이유는 일상에서 대량으로 버려지는 커피 찌꺼기를 고부가가치 바이오소재 후보로 활용했다는 점이다.
김치경 교수는 "매일 버려지는 커피 찌꺼기가 신경세포를 보호하는 데 활용될 수 있는 소재로 다시 쓰일 가능성을 확인했다는 점이 흥미로운 결과"라며 "세포 내 활성산소를 줄이고 신경계 세포의 성장 과정에도 영향을 줄 수 있다는 점을 확인한 만큼 향후 신경재생 분야로 연구를 확대할 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.
두현명 연구교수는 "단순한 폐기물로 여겨졌던 커피 찌꺼기에서 의료·바이오 분야에 활용할 수 있는 가능성을 찾았다는 데 이번 연구의 의미가 있다"며 "앞으로 실제 활용 가능성을 확인하기 위한 후속 연구를 이어갈 계획"이라고 밝혔다.
이번 연구는 고려대학교 구로병원 정밀재생 플랫폼의 지원으로 진행됐다. 구로병원 연구진과 공주대학교 신소재공학 연구팀이 협업하면서 소재공학과 임상 신경과학을 결합한 학제 간 연구로 이어졌다.
연구결과는 미국화학회(ACS)가 발행하는 국제학술지 'ACS Applied Materials & Interfaces'에 '인간 신경전구세포의 성상교세포 분화를 위한 산화환원 조절 바이오소재로서의 커피 찌꺼기 유래 탄소점(Spent Coffee Grounds-Derived Carbon Dots as Redox-Modulating Biomaterials for Astrocytic Differentiation of Human Neural Progenitor Cells)'이라는 제목으로 게재됐다.
다만 이번 연구는 사람을 대상으로 신경질환 치료 효과를 확인한 임상연구가 아니라 신경전구세포를 이용해 바이오소재로서의 가능성을 확인한 단계다. 향후 동물실험과 안전성·유효성 검증 등을 거쳐 실제 신경재생 분야에서 활용할 수 있는지를 확인하는 후속 연구가 필요하다.
