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공기 중 부유 항생제 내성균의 간편 현장 검출 기술···감염병 대응 패러다임 전환

- 공기 속 항생제 내성균을 찾아 빛으로 알려주는 원스톱 스마트 진단 기술 'CN-TAR’개발 -

한국생명공학연구원(원장 권석윤, 이하 생명연) 바이오나노연구센터 임은경 박사 연구팀은 연세대학교 황정호 교수 연구팀과 함께 공기 중에 떠다니는 위험한 항생제 내성균을 빠르고 정확하게 찾아낼 수 있는 새로운 진단 기술인 ‘CN-TAR(Cas9 Nickase-Triggered Amplification Reaction)'을 개발했다고 밝혔다.

이번 연구성과는 병원감염 예방과 공중보건 안전망 구축에 게임체인저 역할을 할 것으로 기대되고 있다. 특히, 병원, 공항, 지하철 등 감염 취약지역에서 즉시 진단이 가능한 ‘현장형 플랫폼 기술’로 국민의 생명과 건강을 지키는 데 기여할 전망이다.

최근 공기 중으로도 전파가 가능한 슈퍼박테리아 문제가 심각해지고 있다. 특히, MRSA(메티실린 내성 황색포도상구균)와 VRE(반코마이신 내성 장구균)는 폐렴이나 패혈증 등 같은 위험한 질병을 유발하고, 기존 항생제로는 잘 치료되지 않는다.

예전에는 이런 균들이 환자에게만 감염을 일으킨다고 여겨졌지만, 최근에 공기 중으로도 전파될 수 있다는 사실이 밝혀지며, 우리가 숨 쉬는 공기조차도 안심할 수 없는 상황이다. 따라서 병원이나 공공장소에서 곧바로 이런 균을 찾아낼 수 있는 '현장 진단 기술'이 요구되고 있다.

이에 연구팀은 유전자 가위로 널리 알려진 CRISPR-Cas9 시스템을 진단목적으로 변형하여 박테리아가 가진 특정 유전자를 정확히 찾아 자르고, 그 절단산물을 실시간으로 증폭하여 빛으로 표시해주는 'CN-TAR'라는 혁신적인 기술을 개발했다.

쉽게 설명하면 공기 중에 떠다니는 극미량의 박테리아 유전자를 실시간으로 포착하고 분석해 빛으로 결과를 알려주는 원스톱 스마트 진단 기술이다.

연구팀의 성능 검증 결과 이 기술은 단 1~2개의 유전자 복사본 수준(1.40 copies/μL, 1.13 copies/μL)에서도 박테리아를 정확하게 감지할 수 있을 만큼 매우 민감하게 작동했으며, 병원에서 널리 쓰이는 RT-PCR 분석법과 비교해도 비슷하거나 더 우수한 성능을 보여주었다.

특히, 이 기술은 별도의 고가 장비 없이 휴대용 진단기로 만들 수 있어, 병원뿐 아니라 학교, 요양원, 식품공장, 제약공장, 심지어 공장 하수나 토양까지도 실시간 감시할 수 있어 폭넓은 활용 가능성을 보여주고 있다.

연구책임자인 임은경 박사는 "이 기술은 고가 장비 없이도 공기 중 박테리아를 누구나, 어디서나, 빠르게 찾아낼 수 있는 획기적인 현장형 진단 기술로서 국민의 생명과 건강을 지키는 데 직접적인 기여를 할 수 있을 것으로 기대된다"라고 밝혔다.

이번 연구는 세계적인 환경 저널인 J. Hazard. Mater. (IF 12.2) 2025년 6월 6일자 온라인 판에 게재되었으며, (논문명 : Onsite Detection of Airborne Antibiotic-resistant Bacteria via Cas9 Nickase-triggered Amplification Reactions / 교신저자 : (생명연) 임은경 박사, (연세대) 황정호 교수 / 제1저자 : (생명연) 서승범 박사, 이진아(UST 대학원생)

본 연구는 환경부 실내공기 생물학적 위해인자 관리기술개발사업, 과기정통부 개인기초연구사업, 생명연 주요사업 등의 지원으로 수행되었다.

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그림 1. Cas nickase 유발 증폭 반응(CN-TAR)을 이용한 공기 중 항생제 내성 박테리아 검출 개요

(a) CN-TAR 검정법을 이용한 정전기 공기 샘플러를 사용하여 수집한 항생제 내성 박테리아 검출 개요

(b) CN-TAR의 전체 워크플로

 그림 2. MRSA 및 VRE 배양균의 유전자를 이용한 CN-TAR 진단 기술의 민감도 평가 결과

(a, b) MRSA(mecA 유전자)와 VRE(vanA 유전자)의 농도별 유전자에 대해 실시간 형광 반응을 측정한 결과, 농도가 증가할수록 강한 형광 반응이 나타났다.

(c, d) 반응 종료 시점에서의 형광값도 농도에 따라 선형적으로 증가하여 정량적 분석 가능성을 확인하였다.

(e, f) 표준곡선 결과, MRSA는 1.40 copies/μL, VRE는 1.13 copies/μL 수준까지 민감하게 검출되었으며, R² > 0.9의 높은 상관성을 보였다.

그림 3. 밀폐된 실험 공간 내 공기 중 항생제 내성균 검출 결과

(a) 공기 중 항생제 내성균을 모사하기 위해, 밀폐된 실험 공간 내에 MRSA와 VRE를 분사하고 고속 전기집진 샘플러를 이용해 시료를 채취하는 과정을 도식화하였다.

(b–e) 시료 채취 후 CN-TAR 진단 기술을 적용하여, MRSA(mecA 유전자)와 VRE(vanA 유전자)를 안정적으로 검출함을 확인하였다.\

(i–k) 실험 수행 당시의 현장 사진으로, 실제 환경을 유사하게 재현한 실험 조건임을 보여준다.

그림 4. CN-TAR 진단 시약의 안정성 평가, -20℃에서 보관된 진단 시약 혼합액을 활용한 MRSA 및 VRE 검출 결과)

(a–c) MRSA(mecA 유전자)

(d–f) VRE(vanA 유전자) 검출 결과를 나타내며, 각 패널은 각각 1일차, 2일차, 3일차 보관 조건에 해당한다. 모든 반응은 동일한 조건(프로브 농도 포함) 하에 수행되었으며, 0분부터 120분까지 시간 경과에 따른 형광 발현을 측정하였다. 또한, 타깃 DNA가 없는 대조군(NTC)도 함께 실험하여 특이성을 검증하였다. 3일간의 냉동 보관 후에도 형광 신호가 일정하게 유지되었으며, 이는 CN-TAR 반응 혼합액이 우수한 안정성과 재현성, 정밀도를 갖고 있어 현장형 진단 키트로서 활용 가능성이 높다는 것을 보여준다.

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