바이오인

핵심내용

-수인성 전염병인 콜레라(제1종 법정 전염병)를 탄수화물칩으로 검출하는 새로운 기술 개발 성공.. 기존의 DNA칩이나 단백질칩보다 검출정확도 향상, 탄수화물칩의 실용화 가능성 열어

 □ 국토해양부(장관 : 권도엽)는 국내 연구진이 대표적인 여름철 전염병인 콜레라(제1종 법정 전염병)의 독소를 검출할 수 있는 탄수화물칩(carbohydrate chip)을 개발했다고 발표하였다.

 ○ 포스텍(총장 : 김용민) 화학공학과/해양대학원 차형준 교수 연구팀이 주도한 이번 연구는 국토해양부의 ‘해양생명공학기술개발사업’의 지원을 받아 수행되었고, 연구결과는 분석화학 분야 최고 권위 학술지인 ‘어날리티컬 케미스트리(Analytical chemistry)’ 온라인 속보에 발표(7.17)되었다. 이번 연구결과는 특허 출원되어 지식재산권이 확보되었다.

 ○ 콜레라는 수인성 전염병*으로 차 교수팀은 콜레라의 원인인 콜레라 독소가 인간 세포 표면에 있는 탄수화물과 상호작용을 통해서 세포를 감염시킨다는 점에 착안하여, 탄수화물을 칩 표면에 안정적으로 고정화 하는 기술을 개발하여 콜레라의 감염 작용을 분석하고 검출하는데 성공했다.

   * 수인성 전염병이란 물(해수·담수 총칭)에 의하여 감염되거나 오염된 물에 조제된 식품에 의해 발생되는 전염병을 총칭

□ 차 교수팀은 ‘07년 탄수화물의 표면 고정화 기술을 개발하고, ’10년 이 방법을 기반으로 탄수화물칩 제작 가능성을 제시하였으며, 재연성과 안정성 문제를 극복하기 위한 연구 끝에 효율성이 크게 향상된 기능성 탄수화물칩 개발에 성공하였다.

○ 기존 탄수화물 표면 고정화 기술은 재연성과 안정성이 떨어진다는 문제점들을 가지고 있었지만, 차 교수팀에서 개발한 기능성 탄수화물칩은 재연성 및 안정성이 뛰어나고, 실제 감염작용을 검출해내는 원리를 활용하기 때문에 유사 염기서열 또는 유사 구조로 인해 오류가 발생할 가능성이 존재하는 DNA칩이나 단백질칩보다 정확도가 향상될 전망이다.

 ○ 또한, 매우 낮은 농도*의 콜레라 독소까지 검출할 수 있으며, 향후 탄수화물칩을 센서 플랫폼으로 활용할 수 있을 것이라는 가능성을 확인하였다.

   * 약 20피코몰(1picomole = 10-12mole)

   * 몰(mole) : 화학에서 사용하는 물질의 양을 나타내는 단위. 물질의 분자량과 같은 양의 질량(g) 또는 기체상태인 물질이 특정조건에서 분자량이 차지하는 부피와 같을 때 1mol로 정의한다.

 ○ 특히 이번 연구는 DNA칩이나 단백질칩에 비해 칩 표면에 생체분자 고정이 매우 어려워 초기단계에 머물러 있던 탄수화물칩의 실용화 가능성을 열게 되었다는 점에서 큰 의미가 있다.

□ 차형준 교수는 “이번 연구는 탄수화물칩 기술을 콜레라 감염 작용의 분석 및 검출에 적용함으로써 향후 환경이나 질병진단 분석, 신약후보물질 탐색 등 응용 분야로의 실제적인 활용 가능성을 제시한 연구로, 해양/육상 환경, 식품 및 임상 등 다양한 분야에서 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 기대한다” 라고 연구의의를 밝혔다.

상세내용

  참고 1. 용어 설명

1. 탄수화물칩(carbohydrate chip)

 ○ 탄수화물칩은 단당류, 이당류 또는 다당류의 탄수화물을 고밀도로 고체 기재 표면에 일정한 간격으로 고정화시킨 마이크로칩을 의미한다. 탄수화물칩은 단백질(또는 생체물질)과 탄수화물 사이의 상호작용 연구를 통한 생명 현상 규명, 신약 개발 및 질병 검출법에 응용되어질 수 있다.

 2. 콜레라 (Cholera) 및 콜레라 톡신 독소(Cholera toxin)

 ○ 콜레라는 수인성 전염병이며, 비브리오 콜레라(Vibrio cholerae)가 일으킨다. 감염되면 설사와 탈수증세를 보인다. 콜레라의 윈인인자는 콜레라 독소이다. 콜레라 독소는 병원균 비브리오 콜레라에 의해 생산된 단백질 독소이다. 콜레라 독소는 한 개의 A 서브유닛과 다섯 개의 동일한 B 서브유닛으로 구성되어 있다. B 서브유닛은 내피세포 표면에 존재하는 지엠원 강글리오사이드(GM1 ganglioside)과 결합함으로써 A 서브 유닛의 유입을 도와주는 역할을 하며, A 서브유닛은 그 세포 내의 cAMP 축적을 이끄는 ADP ribosyltransferase로 작용한다.

3. 면역분석법(Immonoassay)

 ○ 면역분석법이란 시료의 분석과정에서 항체를 이용하는 기술을 의미하며, 이 경우 항체는 표지(labeling)하여 사용하거나 혹은 별도의 표지 없이 그대로 사용하기도 한다. 초기에는 연구자들이 주로 단백질의 검출이나 정량을 위하여 이 방법을 사용하였으나, 최근에는 항체기술의 발전으로 저분자화합물, 탄수화물, 지질 및 각종 미생물 등의 분석에도 활용하고 있다. 면역분석법은 그 검출 원리 및 방법에 따라 방사성동위원소를 사용하여 신호를 검출하는 방사면역분석시험법 (RIA: radioimmunoassay), 효소에 의한 신호증폭을 사용하는 효소면역측정법 (ELISA: enzyme-linked immunosorbent assay), 형광을 이용하여 검출하는 형광항체법 (FA: fluorescence antibody technique), 화학발광을 사용하는 화학발광면역측정법 (CLIA: chemilumiscence immunoassay) 등으로 나눌 수 있으며, 그 밖에도 표지 물질의 사용 방법이나 기질의 종류에 따라 다양한 분류가 가능하다.

참고 2.  사진 자료

1. 기능성 탄수화물칩을 이용한 콜레라 감염 작용 분석 및 검출을 위한 전략

<콜레라 독소 검출 탄수화물칩 검출 전략 모식도>

위 그림은 본 연구에서 개발된 기능성 탄수화물칩을 이용하여 콜레라의 감염 작용을 분석하고 검출하기 위한 전략도이다. 콜레라의 윈인인자인 콜레라 독소와 상호작용 가능성이 있는 7 가지의 탄수화물류(콜레라 톡신과 상호작용하는 인간세포의 표면에 위치하는 5 개의 단당류로 이루어진 지엠원 오당류을 비롯하여 이의 유사체들인 아시알로 지엠원 사당류, 지엠투 사당류, 지엠쓰리 삼당류, 락토스 이당류 및 갈락토스 단당류)의 효율적인 고정화 방법을 통해 기능성 탄수화물칩을 제작하였고 탄수화물칩 상에서 콜레라 독소와의 상호작용을 분석하고 검출하기 위해 항체를 이용한 면역분석법을 이용하여 민감도를 향상시키고자 하였다.

 2. 기능성 탄수화물칩을 이용한 콜레라의 윈인인자인 콜레라 독소의 특성 분석

그림 (a)는 7 가지의 탄수화물류로 구성된 탄수화물칩 상에서 콜레라 독소 B 서브유닛과 전체 콜레라 독소 (하나의 A 서브유닛과 다섯 개의 B 서브유닛)의 기질 특이성 및 기질 결합력을 분석한 형광 그림이다. 그림 (b)는 그림 (a)의 형광 세기를 나타낸 막대 그래프이다.

3. 기능성 탄수화물칩 상에서 기질과 콜레라 독소 간의 상호작용에 대한 정량적인 분석

탄수화물칩 상에서 7 가지의 탄수화물류들 중 지엠원 오당류와 전체 콜레라 독소 간의 상호작용을 정량적으로 분석한 결과이다. 그림 (a)는 전체 콜레라 독소의 농도별에 따른 탄수화물칩 상에서 지엠원 오당류와의 상호작용을 분석한 형광 그림이다. 그림 (b)는 그림 (a)의 형광 세기를 나타낸 선 그래프이다.

4. 기능성 탄수화물칩 상에서 지엠원 오당류와 콜레라의 윈인인자인 콜레라 독소와의 상호작용시 지엠원 오당류의 농도가 미치는 영향분석

기능성 탄수화물칩 상에서 기질 (지엠원 오당류)와 콜레라의 윈인인자인 콜레라 독소 간의 상호작용시 기질의 농도가 미치는 영향을 분석한 결과이다. 그림 (a)는 전체 콜레라 독소의 3 가지 농도 ( 40, 10, 5 ng mL-1) 조건 하에서 기질 (지엠원 오당류)의 농도에 따른 콜레라 독소와 기질간의 상호작용에 미치는 영향을 기능적인 탄수화물칩 상에서 분석한 형광 그림이다. 그림 (b)는 그림 (a)의 형광 세기를 나타낸 선 그래프이다.

5. 기능성 탄수화물칩을 이용하여 실제 비브리오 콜레라에 의해 생산된 콜레라 독소의 검출

본 연구에서 개발된 기능성 탄수화물칩이 콜레라의 원인인자인 콜레라 독소를 검출하기 위한 실용적인 플랫폼인가를 평가하기 위해 비브리오 콜레라의 배양액으로부터 콜레라 독소를 검출할 수 있는지 여부를 평가한 결과이다. 다른 병원균 배양액에서는 검출이 되지 않고 비브리오 콜레라 배양액에서만 특이적으로 검출이 되는 것을 알 수 있다. 그림 (a)는 비브리오 콜레라, (b)는 장염 비브리오, (c)는 포도상구균의 배양액으로부터 콜레라 독소의 검출 여부를 분석한 형광 그림이다. 그림 (d)는 그림 (a), (b), 그리고 (c) 의 형광 세기를 나타낸 막대 그래프이다.