바이오인

핵심내용

사이클론 이용한 공기 중 부유미생물(세균, 곰팡이) 실시간 탐지

부유미생물 고농축 액상포집 및 ATP 발광 유도효소 고정화 기술

□ 공기 중 떠다니는 세균이나 곰팡이의 농도를 실시간으로 탐지할 수 있는 바이오에어로졸 모니터링 시스템 기술이 소개됐다. 바이오에어로졸은 생물학적 기원을 가진 공기 중 부유입자를 통칭한다.

 ㅇ 한국연구재단(이사장 노정혜)은 정재희 교수(세종대학교) 및 김병찬 박사(KIST 환경복지연구센터장) 연구팀이 공기 중 부유미생물이 가진 생체물질, ATP의 농도를 실시간으로 측정하는 시스템을 개발했다고 밝혔다.

 ※ ATP(Adenosine Triphosphate, 아데노신 삼인산) : 생명체의 세포가 호흡, 대사 등을 위해 에너지로 사용하는 물질. 인산기가 떨어지면서 에너지가 발생된다.

□ 이 시스템은 환경성 질환이나 전염성 질병과 관련된 부유미생물을 포착, 안심할 수 있는 생활환경 조성을 위해 다양하게 응용될 수 있을 것으로 기대된다. 그러나 숙주로부터 ATP를 빌려 쓰는 바이러스 탐지에는 적용할 수 없다.

□ 영양액을 응고시킨 고체 배지에 시료를 배양, 증식한 미생물 집락을 세는 방법※은 시료포집부터 결과분석까지 하루 이상 소요되어 현장에서의 즉각적 확인을 통한 노출저감 관리에 어려움이 있을 수 있다.

 ※ 콜로니계수법 : 박테리아 또는 곰팡이 같은 미생물을 고체 배지 상에 접종하고 배양함으로써 형성되는 미생물의 집락(콜로니, colony) 수를 측정(단위, CFU)

□ 때문에 부유미생물을 액상으로 포집, 미생물이 가진 ATP와 반응해 빛을 내는 발광효소를 이용하려는 다양한 시도가 있었다.

 ㅇ 하지만 극저농도(약 1억 개 입자 중 1개)로 존재하는 부유미생물을 센서가 읽어낼 수 있을 정도로 농축하는 데 한계가 있었고, 시료 포집부터 분석까지 일련의 작업들이 연속적으로 자동화되지 못했다.

 ㅇ 또 상온에서 활성이 저하되는 발광효소의 특성상 장시간 연속적 모니터링에 이용하기 어려웠다.

□ 연구팀은 청소기부터 화력발전소에 이르기까지 공기에 섞여있는 먼지를 포집하는데 널리 쓰이는 사이클론을 개량해 부유미생물을 액상으로 100만 배 까지 농축하는 데 성공했다.

 ㅇ 기존 미국 연구팀이 달성한 78만 배 보다 향상된 것으로, 공기 1m3(액체로 환산시 1,000,000ml)당 100 CFU 정도로 존재하는 미생물을 100만분의 1인 단 1ml의 액상으로 포집할 수 있는 수준이다.

 ※ 사이클론 : 고속으로 유입되는 시료의 크기에 따라 벽에 부딪혀 가라앉는 속도가 다른 것을 이용해 물질을 분리하는 사이클론을 개량해 농축성능을 높였다.

□ 핵심은 시료와 닿는 사이클론 내부 표면을 균일한 액막이 형성되도록 초친수성 물질로 처리한 것이다. 이를 통해 공기 중 시료를 액상 계면에 자연스럽게 액화 포집하는 동시에, 바로 탐지부로 이송되도록 자동화하는 데 성공했다.

 ㅇ 또한 상온에서도 한 달 이상 활성을 유지할 수 있도록 발광효소와 기질을 디스크 형태의 종이에 동시에 고정화하여 탐지부를 구성함으로써 모니터링의 지속성을 보완했다.

□ 나아가 다중이용시설인 서울특별시 내 6개 지하철 역사에서 개발된 시스템에 대한 현장적용 평가를 실시한 결과 5분마다 연속적으로 부유미생물 농도정보를 얻을 수 있었고 이 정보는 기존 콜로니 계수법으로 측정한 농도와 근사한 것으로 나타났다.

□ 연구팀은 향후 현장의 특성을 고려한 다양한 실내외 대기환경을 모니터링할 수 있는 실용화 연구를 계속할 계획이다.

 ㅇ 과학기술정통부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구사업(중견연구), 환경부 및 KIST 등의 지원으로 수행된 이번 연구결과는 국제학술지‘ACS 센서(ACS Sensors)’에 표지논문으로 2월 28일 게재되었다.

상세내용

■ 주요내용 설명

< 논문명, 저자정보 >

● 논문명

Continuous Surveillance of Bioaerosols On-Site Using an Automated Bioaerosol-Monitoring System

정재희 교수 (공동 교신저자/세종대학교(前한국과학기술연구원(KIST))), 김병찬 책임연구원 (공동 교신저자/KIST), 조유성 인턴연구원 (공동 제1저자/KIST), 김혜리 박사과정 (공동 제1저자/KIST), 고현식 석사과정 (공동저자/KIST), 정상빈 박사과정 (공동저자/KIST)

< 연구의 주요내용 >

1. 연구의 필요성

 ○ 바이오에어로졸이란 생물학적 기원을 갖는 공기 중 부유입자를 통칭하며 바이러스, 세균, 곰팡이와 같은 부유미생물도 포함된다. 일부 바이오에어로졸은 천식, 알레르기 같은 환경성 질환 또는 SARS, 신종플루, MERS, COVID-19와 같은 감염성 질병을 유발할 수 있는 생활환경 유해물질로 지속적인 관리가 필요하다.

 ○ 이에 정부에서는 실내 공기질 내 총 부유세균 농도를 800 CFU/m3 이하로 유지 관리하고 있으며, 총 부유곰팡이 농도를 500 CFU/m3 이하로 권고하고 있다.

 ○ 특히 상대적으로 면역력이 취약한 노약자 등이나 또는 환경 취약계층에게 보다 큰 영향을 줄 수 있어 연속적으로 실시간 오염을 탐지하는 기술이 필요하다.

 ○ 하지만 이들 농도측정에는 시료 포집부터 결과분석까지 하루, 이틀 이상이 소요되어 즉각적인 확인 및 노출 저감을 위한 조치가 어려운 상황이다.

 ○ 따라서 보다 신속하고 정확하며 현장에서 활용할 수 있는 바이오에어로졸 모니터링용 실시간 탐지 기술이 절실하다.

 2. 연구내용

 ○ 공기 중 부유미생물(곰팡이 및 세균)의 고농축액화포집 기술과 30일 이상의 안정성이 확보된 루시퍼린/루시퍼라아제 효소 기질 동시 고정화 기술을 이용해 실시간으로 현장에서 부유미생물의 농도를 측정할 수 있는 시스템을 설계하였다.

 ○ 공기 중 부유미생물의 연속적 모니터링은 크게 포집과 검출로 나눌 수 있다. 원심력을 이용해 물질을 분리하는 사이클론 기술로 시료를 안정적으로 액화하여 포집하고 고농도로 농축하였다. 사이클론 내부에 초친수성 표면처리 및 액체-기체 계면 제어를 최적화함으로써 약 100만배 이상의 부유미생물 농축 성능을 확보했다.  

 ※ 사이클론(cyclone) : 원심력을 이용한 분리장치. 유체 중의 고체입자를 분리하거나 액체방울을 기체와 분리한다.

 ○ 기존 액상 임팩터 또는 임핀져를 이용하는 방식에 비해 농축도가 높아 시료 확보시간을 단축하고 검출부와 직접 연결된 시스템 설계를 통해 포집된 시료의 손실과 손상을 최소화했다.

 ○ 시료는 부유미생물을 융해할 수 있는 열처리부를 통과해 30일 이상의 화학적 안정성을 갖는 루시퍼린/루시퍼라아제 효소 고정화 기술이 적용된 페이퍼 디스크가 포함된 검출부로 전달된다.

 ○ 부유미생물 내 ATP 물질과 루시퍼라제(효소) 및 루시페린(기질)과의 반응으로부터 방출되는 생물발광을 정량화, 부유미생물 양을 실시간 모니터링 할 수 있었다.

 ※ 생물발광(Bioluminescence) : 생물이 화학적 작용을 거쳐 빛을 내는 현상을 일컫는다. 화학발광과 달리 열을 거의 발생시키지 않아 효율이 매우 높다.

 ○ 또한 설계한 장비의 성능 검증을 서울 시내 6곳의 지하철 역사에서 실시간 현장 테스트를 진행하였으며, 시민들의 공간 이용 밀도 변화에 따라 부유미생물의 농도가 함께 변화하는 것을 확인하였다.

 ○ 한편 이 탐지기술은 ATP를 이용하기 때문에 일반적인 실내 공기 관리 기준인 부유세균과 부유곰팡이에 한정되며 바이러스 측정에는 적용이 불가능하다.

3. 연구성과/기대효과

 ○ 바이오에어로졸의 집속 및 분류 기술이 적용된 사이클론 포집시스템은 다양한 검출장비 및 센서와 함께 활용할 경우 특정 병원성 부유미생물 검출시스템 설계에 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 생활공간 내 바이오에어로졸의 실시간 정보를 제공함으로써 보다 적극적인 생물학적 유해인자 감소로 안심할 수 있는 생활환경 조성에 이바지할 수 있을 것이다.

 ○ 관련 기술이 아직 개발 초기 단계에 머무르고 있는 상황으로, 본 기술개발을 통해 생활환경 내 생물학적 유해성분에 대한 탐지 및 모니터링 기술의 선제적 확보에 기여할 것으로 기대된다.

■ 연구 이야기

 <작성자 : 세종대학교 정재희 교수>

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

공기 중 부유하는 입자상 물질은 미세먼지로 잘 이해되고 있으나 바이러스, 박테리아, 곰팡이와 같은 부유미생물에 대해서는 아직 관심이 부족한 상황이다. 그러나 이러한 부유미생물은 항상 존재하며 일부 병원성 미생물은 때로는 우리 건강에 영향을 미칠 수 있다. 이에 연구팀은  부유미생물 탐지 기술에 대해 꾸준히 연구해 왔으며, 최근 부유미생물을 고농축으로 액상화하는 기술을 확보함으로써 기존 바이오센서 기술과 접목하기 위한 아이디어를 도출할 수 있었다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

공기 중 부유미생물의 연속적인 모니터링을 위해서는 시료의 안정적인 포집기술과 센서에서 측정할 수 있는 수준으로 시료를 농축하는 기술이 필요하다. 부유미생물을 액상으로 포집하기 위해 사이클론 기술을 적용하였다. 초친수성 표면처리 및 액체-기체 계면 제어를 최적화함으로써, 최고 수준의 부유미생물 농축 성능을 얻을 수 있었다. 포집된 부유미생물은 열처리를 통한 세포융해를 거쳐 페이퍼 디스크 상에서 루시퍼린/루시퍼라아제 효소와의 발광반응을 유도하였다.  부유미생물 내 ATP 물질과 효소와의 결합으로부터 방출되는 빛을 정량화함으로서 부유미생물의 양을 실시간으로 측정했다. 요소기술들을 집적하여 연속적으로 부유미생물을 측정할 수 있는 시스템을 개발(ABMS)하였고 실제 다중이용시설인 지하철 역사에서 현장테스트를 통해 성능을 검증하였다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

2016년 처음 사이클론 기술로 부유미생물을 포집할 당시 포집성능이 20%에 미치지 못해 많은 설계변경을 통해 액체-기체 계면 제어 최적화를 이뤘지만 70% 이상 올리는 데 한계가 있었다. 2017년 액상사이클론 연구를 미세유체 칩으로 구현하였고, 폴리머를 유리와 결합시키기 위해 사용되는 플라즈마 공정이 미세채널 내부를 친수화시키며 채널 내부의 액막이 균일해지는 특징을 발견할 수 있었다. 이로부터 사이클론 내벽을 초친수화 처리할 수 있는 기술에 집중하였고 2019년 99% 이상의 부유미생물 포집성능 갖는 액상사이클론 기술을 개발했다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

실내공기질 관리법에서의 부유미생물 측정은 부유미생물을 고체 배지에 포집하고 실험실에서 1~2일 배양 후, 미생물 콜로니를 계수하는 콜로니 계수법을 사용하고 있다. 장시간 배양이 필요하고 포집부터 배양, 계수까지 연구자의 노동력을 필요로 하기에 현장에서 부유미생물의 능동적인 관리는 어렵다. 이에 살아있는 부유미생물이 가진 ATP물질이 루시퍼린/루시퍼라아제 효소와 반응해 발광하는 현상을 이용하여, 부유미생물의 농도를 정량화 하는 기술을 적용하였다. 이를 위해 최적의 부유미생물 고농축 액화포집기술 및 시료 연속 이송기술을 개발했다. 또 장시간 안정적인 효소 고정화기술을 개발함으로서, 공기 중 부유미생물의 농도를 연속적으로 모니터링할 수 있는 자동시스템을 구현할 수 있었다.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

개발된 시스템의 각 요소기술은 실험실 환경에서 최적의 성능을 검증하였다. 나아가 최종적 실용화 단계는 아니지만, 2019년 서울특별시 6곳의 지하철 역사를 대상으로 현장테스트를 실시하였다. 이 과정에서 실험실에서 찾지 못했던 문제점들을 발견하였고 해결방안을 모색할 수 있었다. 향후 실용화를 위해서는 시스템의 하드웨어 보완 및 환경적용 연구 외에도 각 생활공간별 부유미생물 특성화 및 시스템 반영 연구가 추가로 필요하다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?

공기 중 부유미생물은 다양한데 일부는 극소수이나 병원성 미생물이 존재할 수 있다. 이러한 부유미생물의 유해성은 미생물의 종류에 따른 병원성 정도와 노출 강도에 따라 달라지며, 노출자의 나이 및 건강상태에 영향을 받는다. 따라서 부유미생물의 연속적인 모니터링 기술은 어린이나 노약자, 면역력이 약한 계층이 거주하는 시설 및 인구이동이 많은 지하철, 터미널, 지하공간 등 다중이용시설에서 그 중요성이 커질 것이다. 생활환경에 따라 부유미생물의 종류와 농도가 달라질 수 있어 향후 이러한 생활환경 내 부유미생물의 정보를 반영할 수 있는 탐지 기술을 개발하고 싶다. 나아가 사물인터넷 및 인공지능 기술을 부유미생물 모니터링 시스템과 결합하여 부유미생물의 발생 및 전파 특성, 확산 예측 모델을 공간 별 특징에 따라 분석할 수 있는 통합시스템을 개발할 계획이다.

□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?

개발한 공기 중 부유미생물 연속 모니터링 시스템의 성능 검증을 위해 서울역을 포함한 6곳의 지하철 역사에서 현장 테스트를 진행하였다. 지하철이 도착할 때마다 이용 시민들의 공간 밀도가 달라졌고 부유미생물의 농도가 함께 높아짐을 확인했다. 시민들의 이동에 따른 기류의 변화, 걸음에 의한 바닥 먼지의 재비산 등 다양한 요소가 부유미생물의 농도에 영향을 끼쳤다. 지하철 외의 다양한 현장에서도 각 특징들이 있을 것으로 생각되며, 이러한 현장 특성을 시스템 운영에 반영할 수 있다면 보다 정확한 정보를 제공할 수 있을 것으로 생각됐다.