바이오인

환경 바이오센서 개발 연구

광주과학기술원 환경공학과

환경생물공학 국가지정 연구실

구만복( mbgu@kjist.ac.kr)

I. 서 론

인류의 산업 활동 및 화석 연료 사용량의 증가로 야기된 환경오염은 현재 심각한 문제로 대두되고 있으며 이들 환경 문제 자체가 환경 파괴에 그치지 않고 인간 생활의 파괴로 이어지면서 지역적, 국지적 환경문제로부터 전 지구적 환경문제로 확산되 는 상황에 이르렀다. 이러한 환경오염 문제를 예측하고 개선하는데 최근까지 생명체를 이용한 환경 바이오 모니터링이 다양한 방법으로 개발되어져 왔으며 여러 산업체에서 활용되어져 왔다. 주로 하천에 서식하는 물고기나 물벼룩, 홍합 등을 이용하는 방법으로 국내에도 몇몇 하천의 수질 환경 모니터링을 위한 조기 경보장치로 운영되고 있으며, 또한 지렁이, 달팽이 등을 이용한 토양 환경 모니터링 시 스템 등 바이오 모니터링 시스템이 다양하게 적용되고 있다. 그러나 이들은 국내 생태계에는 서식하지 않는 외래종이라는 특성 때문 에 적응상의 문제가 대두되고 있으며 이들 종을 이용한 환경모니터링은 일회용 연속 탐지로서 물고기를 일정기간 후 교체해 주어야 하므 로 탐지능의 정확도가 부족하다. 또한 이러한 바이오 모니터링 기술은 현재 수계에만 활발하게 적용되고 있으며 토양이나 대기오염 에 적용은 매우 미미한 상태이다.

따라서 본 고에서는 기존의 바이오 모니터링 시스템의 단점을 보완하여 보다 신속하고 정확한 독성 분석 및 현장 적용 을 수월하게 진행하기 위하여 최근에 활발히 연구되고 있는 환경 바이오센서에 연구에 대하여 논하고자 한다. 다만 바이오센서가 생물학 적인 재료 및 기작을 이용하는 센서 시스템 전체를 의미하기는 하지만, 환경 독성이나 유해성을 측정하는 바이오센서는 whole cell이 나 혹은 whole organisms 을 이용하지 않고는 측정할 수 없다는 점에서 본 고에서 의미하는 환경 바이오센서의 의미를 제한 적으로 설명하고자 한다.

환경 바이오센서는 whole-cell biosensor의 한 일환으로 환경 오염물질로 인한 독성에 특이적으로 반응할 수 있는 여 러 가지 종류의 스트레스 프로모터와 생물학적 빛 (Bioluminescence), 녹색형광빛 (Green Fluorescence)을 reporter systems으로 구성된 유전공학적으로 변형된 세포를 이용하여 강/호소 및 상·하수원, 토양, 그리 고 대기에 쉽게 응용될 수 있는 첨단 바이오모니터링 기술이다. 또한 본 고에서 다루고 있는 내용은 대부분 본 실험실에서 진 행해 온 연구 내용을 기본으로 정리한 것임을 밝혀둔다.

II. 유전 공학적으로 변형된 독성/유해성 탐지용 세포주 개발

지구상의 모든 생명체는 외부의 환경 오염으로 인한 독성 스트레스와 그 유해성으로 인하여 스트레스 반응 대사과정과 방 어 기작을 지니고 있다. 독성 물질로 인한 생물체의 반응은 유전자 수준에서의 대응을 준비하게 되는데 독성 물질과 접촉 시 그 피해 정 도에 따라 이를 회복하거나 대응하기 위한 요소 유전자들의 발현이 진행되며 이를 유도하는 유전자를 스트레스 프로모터라 명칭 한다 [1-3]. 이들 스트레스 프로모터는 독성 물질로 인한 특정 스트레스에 특이적 반응을 나타내며 (표 1) 유전자 재조합 기술의 발전으 로 이러한 스트레스 프로모터와 발광(lux)/형광(GFP) 유전자의 결합을 통하여 세포에 특이적인 스트레스를 유도하는 독성 물질을 탐지 할 수 있는 유전 자 재조합 발광/형광 세포주의 제작이 가능하였다. 그림 1.은 스트레스 프로모터를 이용하여 유전자 재조합 발광 미생물을 제작하는 과정 이다. 해저 미생물이나 반딧불의 발광 유전자를 이용하여 E. coli, 혹은 Bacillus, Pseudomonas, Salmonella 등의 스트레스 프로모터를 결합하여 유전자 재조합 된 플라스미드를 만들고 이를 새로운 미생물에 전달하면 특정 독성에 대한 발광량의 변화를 유도하도록 할 수 있는 유전자 재조합 발광 미생물들이 만들어지게 된다 [4]. 이와는 반대 로 세포내의 대사 작용에 관여하는 housekeeping genes을 이용하여 일반 조건에서는 다량의 빛을 발하다가 오염 조건에 노출되면 독 성 정도와 비례하여 빛이 감소하는 형태로 민감한 일반 독성 탐지가 가능한 세포도 개발되고 있다.

<표 1. 독성의 종류 및 그에 반응하는 대장균 스트레스 프로모터 및 대표적인 유해화학물질 >

< 그림 1. 유전자 재조합 발광 박테리아가 만들어지는 과정 >

대장균에서부터 Mammalian cell에 이르기까지 생명체들은 적게는 수천개에서 수백만개 까지의 유전자를 보유하고 있으며 이 들 유전자들은 다양한 형태의 독성 탐지용 세포 개발에 대한 잠재력을 보유하고 있다. 최근 이러한 새로운 독성 탐지용 세포를 개발하 는 과정은 생명체의 모든 유전자 정보를 포함하고 있는 DNA chips을 이용한 microarray를 활용하여 가속화 되고 있 다.

III. 유전자 재조합 형광/발광세포를 이용한 센서화 연구

1) 연속 수질 모니터링을 위한 다채널 독성 탐지 시스템

최근까지 수질의 연속 모니터링을 위해 개발된 시스템은 제한되어 있었으며 또한 물고기나 물벼룩을 이용하여 연속 모니 터링을 한다고는 하나, 한번 독성에 노출된 생명체를 재사용할 수 없기 때문에 엄밀한 의미에서 연속이라고 할 수 없었다 [5,6]. 따라 서 간편하게 연속적인 운영을 하기 위해 독성 측정 방법이 간단한 유전자 재조합 발광 미생물을 이용하여 현장에 직접 적용 가능 한 연속 수질 모니터링 시스템이 개발되었다 [7-9]. 수질 내 독성의 연속 모니터링은 발광성 미생물을 이용하여 공장 폐수, 폐처리 장의 유입수 및 배출수, 하천, 상수원으로 유입되는 수질내 독성물질을 연속 및 비연속적으로 탐지할 수 있는 광섬유 부착 2단계 소형 생물 반응기를 한 채널로 구성한 다채널 연속 모니터링 시스템을 이용하여 가능해 진다 (그림 2).

〈 그림 2. 수질내의 독성을 연속적으로 모니터링 할 수 있는 다채널 독성 탐지 시스템 〉

이 시스템은 작업 부피가 소량으로써 장기간에 걸쳐 미생물을 성장 유지시키는데 있어 배지 소모량이 작고 운전 및 관리가 용이하며 광섬유를 소형반응기와 결합시키므로 발광성 박테리아가 소형 생물반응기내에서 발하는 빛의 변화를 민감하고 신속히 빛 의 소실 없이 빛 측정 장비인 루미노미터로 전달시키게 된다. 또한 이 광섬유 부착 소형 생물반응기를 2 단계로 구성하여 1 단계 반응기에서 는 미생물을 독성물질과 혼합시키지 않고 2단계 반응기로 유입시켜 독성물질과 혼합하여 미생물이 발산하는 빛의 변화를 측정하므로써 독성 물질과의 혼합에 따른 성장저해에도 불구하고 장기간에 걸쳐 연속적으로 수질내의 독성물질을 탐지할 수 있는 시스템이다. 뿐만 아니 라 2 단계 반응기를 여러개의 채널로 확장하여 구성함으로써, 각 채널 마다 환경 오염물질로 인한 스트레스에 특이적으로 반응하는 각 각 다른 미생물들을 사용하여 유입되는 수질내의 독성 형태를 분석할 수 있게 된다 [10]. 따라서 이러한 다채널 연속 독성 탐지 시스템을 이용할 경우, 강이나 하천 및 상수원 혹은 공장의 폐수처리공장으로 유입되는 수질의 독성을 장기간에 걸쳐 안정하게 연속적 으로 측정할 수 있으며, 환경오염 사고나 공장의 운영 중 사고로 인한 독성물질의 갑작스러운 배출 등을 조기에 탐지 경보 할 수 있 게 된다.

2) 토양 독성 탐지를 위한 토양 바이오센서

토양오염의 모니터링을 위한 기존의 바이오 모니터링 방법은 토양 내 서식하고 있는 지렁이나 식물체의 성장 길이, 발아 정도를 분석하는 것들 이였다. 이와 같은 독성 측정 방법은 측정시간이 오래 걸리며 독성정도를 알려주는 지표가 측정하기 어렵 고, 측정감도가 낮은 단점이 있으며 실제 오염지역에서 사용할 수 있는 바이오 센서라기 보다는 오염의 유무만을 알려주는 정도의 측정 방법들이라고 단정지을 수 있다.

이러한 토양 환경모니터링 방법의 단점을 극복하는 방법으로 유전자 재조합 발광 미생물을 이용한 새로운 토양오염 측정용 환 경 바이오센서의 개발이다 [11]. 그림 3은 이 환경 바이오센서의 간략한 구성도를 보여주는 그림이다. 이 시스템은 유전자 재조합 발광 박테리아를 고정화한 소형의 바이오센서 키트를 제작하여 소형의 반응기에 장착하여 독성을 측정하는 장치로 토양 중의 오염물 질은 박테리아에 무해한 생물계면활성제를 사용하여 추출하여 바이오센서 키트가 장착된 반응기에 주입하여 변화하는 빛의 정도로 독성의 정 도를 분석하게 된다. 특히, 다른 토양오염측정 방법과는 달리 토양으로부터 독성 물질의 추출에 박테리아에 무해한 생물계면활성제 를 사용함으로써 독성측정시 추출용매에 의한 영향을 줄일 수 있으므로 보다 더 민감도를 높일 수 있는 장점이 있으며 토양오염물질 추출 에 사용되는 추출용매 역시 강한 독성을 띄므로 추출로 인한 2차 오염의 우려도 감소시킬 수 있다.

< 그림 3. 토양 오염 측정 바이오센서 구성도 >

토양 오염은 다른 환경 매체의 오염과는 달리 오염물질의 이동 속도가 상대적으로 느리므로 오염 예상지역을 계속적 으로 모니터링 한다면 다른 매체의 오염과는 달리 오염으로 인한 폐해를 미연에 방지할 수 있을 것이다. 그러나 오염물질의 이동속도 가 느린 대신 일단 오염된 토양은 현재의 복원 기술로는 눈에 띄는 회복을 기대하기 힘들며, 토양 자신의 정화 능력 역시 다른 환경 매체의 정화 능력에 비해 현저히 떨어짐으로 인해 다른 어떤 오염보다 사전 예방이 중요하다고 할 수 있다. 이러한 관점에서, 복잡 하고 다양한 오염물질의 모니터링에 있어 유전자 재조합 발광 미생물을 이용한 환경 바이오센서는 토양 오염의 정도를 현격한 감소를 위해 큰 기여를 할 것으로 사료된다.

3) 가스 독성 탐지를 위한 가스 바이오센서

유전자 재조합 발광 미생물은 앞서의 수질, 토양 독성 측정뿐만 아니라, 가스 독성을 측정하는데도 활용될 수 있는데, 이 경우 가스 입자와 미생물간의 직접적인 접촉을 위하여 특정한 매트릭스에 미생물을 고정화하는 것이 효율적이다 [12,13]. 고정화 된 발광성 미생물을 이용하여 유독 가스로 인한 그들의 발광량을 실리콘 디텍터와 증폭기로 구성된 소형회로를 이용하여 측정하 여 가스 성분의 독성 여부를 확인하게 된다. 유해 가스 측정을 위한 전체적인 시스템은 그림 4에 나타나 있으며, 항상 유독 기체에 대해 비교를 위한 반응기를 준비하여 주변 환경내의 기체 독성을 평가할 수 있게 된다.

따라서 고정화된 발광성 미생물을 이용한 가스 탐지용 환경 바이오센서는 기존의 장비에 비해 간편하고 쉽게 제작이 가능하 며, 현장에서 신속하고 민감하게 독성을 탐지할 수 있는 휴대용 성질을 겸하고 있다. 뿐만 아니라, 살아있는 미생물을 이용하여 독 성을 평가하기 때문에 유독가스로 인해 생물체가 입을 수 있는 피해 역시 측정할 수 있는 장점이 있다. 따라서 휘발성 유기화합물 등 유독 가스가 고농도로 유출되는 산업현장내의 대기 환경을 감시하여 작업자의 불안감을 해소하고 작업자의 안전과 생산성을 높일 수 있게 해주며 유독가스의 유출시 경보를 발생시켜 작업자가 환기, 대피 등 안전조치를 취하는 것이 가능하게 된다.

<그림 4. 가스 독성 탐지를 위한 가스 환경 바이오센서>

V. 환경 바이오센서의 응용연구

심각해지는 환경오염을 연속적이고 효율적으로 모니터링 하기 위해 여러 산업체의 폐수 처리 공정이나, 상·하수원의 수 질 검사소, 유해 대기 물질을 방출하게 되는 공장, 실내 공기 정화, 뿐만 아니라 기타 유해성 물질이 누출된 토양 오염 지역등에서 환경오 염 방지와 환경생태 관리를 위해 환경 바이오센서가 적용될 수 있다 [14,15]. 또한 산업화로 인해 자연계에 존재하지 않는 환경 호 르몬과 같은 유해성 화학물질의 강이나 하천 및 상수원으로의 유입으로 인한 수질 오염 사고는 계속 증가할 것으로 예상되며, 최근 에 자주 신문에서 보도되고 있는 수질 및 대기 오염 사고의 일부는 유해성 물질의 갑작스런 유입으로 인한 사고이며 무엇보다도 화 학공장의 폐수처리장 및 배출구 지역에서의 유해물질의 방류를 방지하기 위해서는 오염도 모니터링을 위한 환경 바이오센서의 활용이 필요하 다. 현재 환경 모니터링을 위해 바이오모니터링 시스템이나 환경바이오센서 기법은 미국, 유럽, 일본과 같은 기술 선진국 등에서 현장에 설치하여 적용 중에 있다. 현재까지는 수질모니터링을 위한 적용이 가장 많이 진행되었지만 환경 바이오센서의 경우 수질, 대기, 토양 뿐만 아니라 환경 호르몬 물질의 유해성 측정, 식품내 잔류 농약 독성 측정등의 다양한 분야로의 적용이 가능하다 [16]. 뿐만 아니라 이온화 방사선으로 인한 유해성 측정을 위한 생물학적 방사선량계 (biodosimeter)로의 개발 가능성도 확인되고 있으며 이로 인하여 우주 공간에서 활동하 는 우주인에 대한 자외선, 이온화 방사선등의 영향을 평가하고 미래 우주활동에 큰 영향을 미칠 것으로 사료된다 [17].

환경오염물질 처리가 질병을 앓는 이를 치료하는 것이라면, 환경 바이오센서를 이용한 모니터링은 꾸준한 사전 진단으 로 질병에 걸리는 것을 예방하는 것으로 모니터링이 효율적으로 이루어진다면, 치료과정도 불필요해 질 수 있다. 따라서 환경 바이오센서 기술 개발이 적극적으로 추진되어야 하며, 이는 21세기에 각 분야에서 활발히 발전하고 있는 신기술들, DNA microarray, protein chip 기술과 같은 IT/BT/NT 기술 등을 적극적으로 채용함으로써 이루어 질 것이다.

[사사]

자료정리를 위해서 박사과정 민지호, 김병찬 학생이 수고하였습니다. 이에 감사합니다.

VI. 참고 문헌

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17) Jiho Min, Changwoo Lee, Seung-Hyeon Moon, Robert A. LaRossa, and Man Bock Gu, Detection of Ionizing radiation Toxicity using Recombinant Bioluminescent Escherichia coli Cells. Radiation and Environmental Biophysics 39, 41-45, 2000