바이오인

색 변화로 공기 속 병원성 박테리아를 검출한다

현장에서 신속하게 공기 중 부유하는 병원성 박테리아를 시각적으로 검출할 수 있는 바이오센서 개발…스마트폰 앱 통해 보다 쉽고 빠르게 분석 가능

 의료, 식품 안전, 환경 모니터링 등 다양한 분야에서 활용 기대

□ 국내 연구진이 혹시 모를 공기 중 병원성 박테리아로 인한 감염으로부터의 불안을 낮춰줄 수 있는 기술을 개발하였다.

□ 한국생명공학연구원(원장 김장성, 이하 생명연) 바이오나노연구센터 임은경 박사팀은 현장에서 실시간으로 대기 중에 존재하는 병원성 박테리아를 검출할 수 있는 플랫폼을 개발하는 데 성공하였다고 밝혔다.

ㅇ 향후 다중이용시설의 공기 모니터링을 통해 의료, 식품 안전, 환경 등 다양한 분야에서 활용될 수 있을 것으로 기대되고 있다.

□ 감염병의 예방과 확산을 방지하기 위해 다중이용시설의 실내 공기 질 모니터링과 이와 관련한 공중 보건관리에 대해 관심이 높아지고 있다.

ㅇ 특히 학교나 사무실 등 많은 시간을 보내는 공간의 공기 질이 건강에 미치는 영향이 커지면서 박테리아, 곰팡이 등 공기 중에 퍼져 있는 다양한 생물학적 위해물질의 검출 기술이 중요해지고 있다.

□ 박테리아 검출에는 미생물을 분리 배양하여 종을 판별하는 분리 동정법, 생화학적 특성을 확인하여 판별하는 생화학 동정법 등이 전통적으로 사용되고 있으나, 박테리아 분리 배양과 생화학적 반응 모니터링에 시간이 오래 걸리고 결과도 부정확하다는 단점이 있다.

ㅇ 최근에는 유전자 증폭기술(PCR, Polymerase Chain Reaction)이나 염기 서열 분석 기술(NGS, Next Generation Sequencing), 질량 분석 기술(MS, Mass Spectrometry) 등의 첨단기술을 이용하면서 신속성과 정확성은 높아졌지만, 고가의 장비와 전문기술이 필요하거나 높은 검사 비용이 든다.

ㅇ 게다가 현장에서 샘플을 채취한 후 분석을 위해 실험실로 운반하는 과정에서 샘플이 오염될 우려도 있다.

□ 이번에 연구팀이 개발한 바이오센서는 현장에서 별도의 분석 장비 없이 시료의 색 변화로 누구나 손쉽게 표적 박테리아를 검출할 수 있다.

ㅇ 연구팀은 박테리아가 유레이스(urease)라는 효소를 생산하는데 이 유레이스가 암모니아를 만들어낸다는 것에 착안해 암모니아를 만나면 노란색에서 밝은 자주색으로 색이 변하는 시약을 제작하였다.

ㅇ 시약에는 크리스퍼(CRISPR, Clustered regularly interspaced short palindromic repeats) 유전자가위 기술을 적용하여 표적 박테리아 유전자와 결합하면 유레이스 효소 발생이 증폭돼 보다 민감하고, 극명한 색 변화를 일으키도록 하였다.

□ 이를 통해 1시간 이내에 육안으로 표적 박테리아를 검출할 수 있을 뿐만 아니라, 함께 개발한 스마트폰 앱을 활용하면 더욱 정밀하고, 빠르게 박테리아의 농도를 빠르고 쉽게 정량화하여 분석할 수 있다.

□ 연구책임자인 임은경 박사는 “유전자가위 기술과 비색 변화 기술을 융합하여 전문가가 아니더라도 현장에서 시각적으로 신속하게 공기 속 부유하는 병원성 박테리아의 존재 여부를 확인할 수 있다는 것에 의미가 있다.”라며,

ㅇ “향후 제품화를 통해 실내외 환경 모니터링과 공중 보건관리 및 감염병 예방 및 확산 방지에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.”라고 밝혔다.

□ 한편 이번 연구는 10월 15일 발행된 환경 분야의 유수 저널인 Journal of Hazardous Materials(IF 14.224) 최신호에 게재되었으며,

(논문명 : A portable smartphone-based colorimetric sensor that utilizes dual amplification for the on-site detection of airborne bacteria / 교신저자 : 임은경 박사 / 제1저자 : 기지선 박사)

ㅇ 환경부 환경기술개발사업, 과기정통부 원천기술개발사업과 이공분야기초연구사업, 산업부 시장주도형 K-센서기술개발사업, 생명연 주요사업의 지원으로 수행되었다.

연구 결과 개요

□ 연구배경

○ 공기 중 부유하는 박테리아는 감염성 질병의 전파에 기여할 수 있습니다. 빌딩 난방, 환기, 공조 시스템 등에서 발생한 박테리아는 건물 내부 환경에 영향을 미칩니다. 또한, 공기 중 먼지, 입자, 화학 물질 등에 따라서 박테리아의 종류와 농도가 달라지고 이는 인간 건강과 생태계에 부정적인 영향을 미칠 수 있어서 실내외 박테리아의 모니터링 및 관리가 필요합니다.

○ 전통적인 박테리아 배양법은 하루 이상의 시간이 소요되거나, 질량 분석과 유전자 시퀀싱 등의 고급 기술들은 검출 기술 비용이 높고, 대규모 모니터링이 어려우며, 장비 사용 및 유지 보수가 복잡하다는 단점이 있었기 때문에 이를 극복하기 위한 방안이 필요한 실정이었습니다.

□ 연구내용

○ 본 연구팀은 바이오센서로서 박테리아의 유전자와 특이적으로 결합하는 유전자 가닥에 한쪽 말단에는 유레이스를 결합하고, 다른 한쪽 말단에는 마그네틱 비즈(Magnetic Beads, 자성을 띈 미립자)를 결합시킨 물질을 합성하였습니다. 이 물질에 크리스퍼 유전자 가위를 융합시킴으로써 보다 민감한 바이오센서 플랫폼을 개발하였습니다.

○ 특정 박테리아 유전자가 존재할 때에는, 크리스퍼 유전자 가위가 박테리아의 유전자를 인식하고, 유레이스가 결합된 유전자 가닥을 무작위적으로 잘라냅니다. 유전자 가닥이 잘리게 되면 마그네틱 비즈로부터 유레이스가 떨어져 나오게 되고, 마그네틱 비즈를 제거하게 되면 유레이스만 용액에 존재하게 됩니다.

○ 유레이스가 존재하는 용액은 반응 용액의 색을 노란색에서 분홍색으로 색을 변화시키게 되고, 이러한 색 변화를 육안으로 관측할 수 있지만, 보다 정량적으로 정확한 분석을 위해서 분석용 스마트폰 앱도 함께 개발하였습니다.

○ 개발한 스마트폰 앱은 기존의 RGB 기반의 색 분석법의 한계였던 인공조명, 자연조명 등의 다양한 빛의 조건에서 달라지는 색을 보다 명확하게 구분할 수 있었습니다.

□ 연구성과의 의미

○ 스마트폰 기반 공기 중 부유하는 박테리아 검출 시스템의 폭넓은 활용성 : 다종의 병원성 박테리아 검출을 통한 실내외 공기 질 모니터링과 의료, 식품, 환경 등 다양한 분야에서 활용 가능

- 본 연구는 자석과 같은 간단한 장치만 필요하므로 분석 비용이 저렴하고, 또한 검출 방식이 간단하여서 전문 지식이 없는 비전문가도 사용할 수 있습니다. 또한, 색 변화 기반 시스템은 시각적으로 신속하게 결과를 제공하기 때문에 실내외 박테리아를 신속하게 식별하고 빠른 대응을 가능하게 합니다. 또한, 스마트폰 앱은 이동성이 뛰어나고 휴대하기 편리하기 때문에 대규모 테스트 또는 현장에서의 사용에 적합합니다.

- 공기 중에 부유하는 박테리아 외에서도 의료 분야, 식품 안전, 음용수 품질 모니터링, 환경 모니터링 등 다양한 분야에서도 사용될 수 있어서 산업적으로 활용가치가 클 것으로 예상합니다.

연구 결과 문답 

용어 설명

1. 유레이스(Urease)

◦ 화학적 시약이 혼합된 시험액에서 요소가 분해되면 암모니아가 발생하게 되는데, 유레이스는 이 암모니아의 양에 따라 용액의 색을 변화시키는 효소다. 이러한 색 변화는 다양한 분석기기들을 통해 암모니아의 농도를 정량화 할 수 있다.

2. 유전자가위 기술

◦ 유전체에서 원하는 부위의 DNA를 정교하게 잘라내 수정 또는 다른 DNA 서열을 삽입하여 유전자를 원하는 방향으로 교정하는 기술. 유전자 조작 및 특정 기능을 변경할 수 있다.

그림 설명

그림1. 공기 중 병원성 박테리아 현장 진단 플랫폼 모식도

공기 중의 표적 박테리아를 탐지하면 유전자를 방출하기 위해 세포벽을 파괴하게 되면 특정 유전체 DNA 서열(gDNA)을 인식한 크리스퍼 유전자 가위가 활성화되며 마그네틱 비즈에 고정된 유레이스로 연결된 단일 가닥 DNA를 절단한다.

절단한 유레이스는 페놀 레드가 있는 시약의 pH를 높여 시약의 색을 노란색에서 밝은 자주색(magenta)으로 변하게 한다.

이러한 색 변화는 육안으로도 확인할 수 있지만, 함께 개발한 스마트폰 앱을 통하면 수치로도 나타나며 질병 상태를 확인할 수 있다.

그림 2. 공기 중 병원성 박테리아 현장 진단 플랫폼 분석 앱 개발

다양한 유레이스 농도(0~1000㎍/㎖)를 RGB 값으로 변환하고 색상과 휘도를 분석하여 정량화된 수치로 표시할 수 있는 스마트폰 앱을 개발함

그림 3. 공기 중 병원성 박테리아 현장 진단 플랫폼 성능 평가

다양한 농도(0~50 nM)인 3종의 박테리아*를 대상으로 한 스마트폰 앱 민감도 성능 평가결과 흡광도에서 명확한 차이를 나타내며 높은 민감도를 보임

* 세레우스균(Bacillus cereus, B.C.로 표기), 황색포도상구균(Staphylococcus aureus, S.A.로 표기), 마이크로코커스 루데우스(Micrococcus luteus, M.L.로 표기)

그림 4. 스마트폰 앱을 통한 실제 박테리아 검출 화면

3종의 박테리아*를 스마트폰 앱으로 검출한 결과, 박테리아가 포함된 군(w/)은 모두 Positive로 인식하는 반면, 박테리아가 포함되지 않은 군(w/o)은 모두 Negative로 인식함

* 세레우스균(Bacillus cereus, B.C.로 표기), 황색포도상구균(Staphylococcus aureus, S.A.로 표기), 마이크로코커스 루데우스(Micrococcus luteus, M.L.로 표기)