바이오인

 

□ 국제 공동 연구진이 탄저균 감염에 대응해 인체가 만드는 단백질을 단시간에 아주 낮은 농도까지 측정할 수 있는 전기화학 기반의 소형센서를 개발해냈다. 향후 탄저균 검출 및 감염에 따른 진단에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

 

o 광주과학기술원 의료시스템학과 및 기전공학부 양성 교수 연구팀과 미국 캘리포니아 공대 제임스 히스 교수 연구팀이 함께 수행한 이번 연구결과는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업(도약연구) 등의 지원으로 수행되었고, 나노분야 국제학술지 ACS Nano 온라인판 9월 24일자에 게재되었다.

 

 

□ 탄저균 감염 시 폐렴 같은 호흡기 감염의 일반적인 증상이 나타나다 일정시간이 지나면 독소에 의해 사망하게 되어 조기진단이 무엇보다 중요하다.

 

o 하지만 탄저균 감염시 탄저균에서 발현되는 탄저 방어항원*의 농도를 측정하기 위해, 이에 결합하는 항체**를 사용하는 기존 센서는 단백질인 항체의 특성상 온도에 민감하고 감도를 높이는 데에도 한계가 있었다.

 

* 탄저 방어항원(Protective antigen) : 인체 감염시 탄저균에서 발현되는 독소 중 하나이며, 그 자체로서 탄저균 감염의 표지가 된다.

** 항체(antibody) : 특정 항원에 대응하여 만들어지는 면역단백질로 열과 산성도 등에 따라 구조가 변성되기 쉽다.

 

□ 캘리포니아 공대 연구팀이 개발한 방어항원만을 선택적으로 포착하는 펩타이드를 광주과기원 연구팀이 개발한 금나노입자 표면에 배열하여 초고감도 탄저균 센서를 개발해냈다.

 

o 개발된 센서는 미 국방부 방위고등연구계획국(DARPA)에서 제시하는 탄저병 진단 값과 비교해 500배 수준의 감도인 약 2 pM의 낮은 농도의 방어항원도 포착한다.

 

o 이는 금전극 위에 금나노입자를 도포함으로써 표면적을 약 6배 정도 넓혀 감도를 높인데 따른 것이다.

 

□ 뿐만 아니라 복잡한 구조의 항체와 달리 비교적 구조가 단순한 합성 펩타이드를 이용해 온도변화 등에 따른 변성확률이 낮아 현장적용에 유리하다고 연구진은 설명했다.

 

o 양 교수는 “높은 선택성과 안정성을 갖는 펩타이드를 이용한 초고감도 탄저균 방어항원 센서를 개발함에 따라 탄저균 감염 여부 판단 센서로서 응용가능할 것으로 기대된다”고 밝혔다.

 

 

 

 

 

1995년 일본 동경 지하철에서의 사린가스 유출 사건, 9.11 테러 이후의 탄저균(anthrax) 공격 등은 생화학 무기가 얼마나 쉽게 사용되어질 수 있는지를 보여준다. 생화학 테러가 발생화면 생화학 무기의 존재를 확인하고 대중에의 노출을 최소화하는 것이 무엇보다 중요하다. 때문에 초기 감지 기술에 대해 많은 연구가 이루어지고 있다. 또한 2001년에 발생한 9.11 테러 이후 미국과 이라크간의 군사적 충돌이 아직도 빈번히 일어나고 있고, 분단국가인 우리나라는 북한으로부터의 생화학 테러가능성도 무시할 수 없다. 미국 국토안보부 (DHA)는 Bio-Watch system 구축에 의한 휴대가능하고, 신속 정확한 시스템으로 고 위험 병원체 (탄저균 등)에 대해서 균체 104 CFU/ml 이하, 독소 1ng 미만의 검출감도를 핵심 요구사항으로 하고 있다.

 

이를 위해 어떠한 환경변화에도 안정하고 현장 적용이 가능한 쉽고 빠른 탄저균 방어항원 센서에 대한 연구가 활발하다. 하지만 기존의 항체를 사용한 센서는 온도에 민감하여 현장적용이 불가능하고 낮은 농도의 측정은 힘들다는 단점을 가지고 있다.

 

 

양성 교수 연구팀과 칼텍의 James R. heath 연구팀은 탄저균 방어항원 (PA)만을 선택적으로 Capturing 하는 펩타이드를 개발하고, 넓은 활성표면적을 갖는 골드나노표면을 도입하여 낮은 농도까지 단시간 내에 측정할 수 있는 탄저균 방어항원 (PA) 전기화학 센서를 개발하였다.

 

연구결과에 따르면, 공동 연구팀인 칼텍의 James R. Heath 교수팀은 In-situ 방법과 화학적 합성을 이용하여 방어항원 (PA)만을 선택적으로 capturing 할 수 있는 펩타이드를 성공적으로 개발하였다. 또한 양성 교수팀은 전기화학도금방법을 이용하여 골드 전극과 비교하여 약 6배의 활성 표면적을 갖는 골드나노표면을 형성하였고, 방어항원만을 선택적으로 capturing 하기 위하여 앞서 개발한 방어항원 펩타이드를 골드나노표면 위에 고정화하였다. (그림 1) 펩타이드를 전극 표면위에 균일하고 방향성 있게 고정화하기 위하여 DNA monolayer를 형성한 결과 재현성이 좋으며 낮은 검출한계 (2 pM) 를 갖는 결과를 도출하였다. (그림 2) 또한 온도, 화학적 환경에 안정하고 쉽게 화학적 합성이 가능한 펩타이드를 인공항체로 사용하여, 다른 온도 환경에서 장시간 보관 후에도 안정한 결과를 나타내었다. (그림 3)

 

 

본 연구는 소량의 샘플을 이용한 탄저균검출로 지속적으로 시장 규모가 커질 생화학적 테러 검출 시장에 기여할 것으로 기대된다. 온도에 안정한 펩타이드를 기반으로 제작한 전기화학 센서의 개발로 사막과 같은 극한의 환경에서도 탄저균 감염 여부를 측정할 수 있을 것으로 기대한다.

 

 

○ 탄저병의 병원균으로 바실러스과 바실러스속에 속한 세균

○ 토양 속에 포자가 존재하며 급성감염시 호흡 및 심장 곤란, 떨림, 어지럼증, 발작 등을 동반할 수 있고 사망으로 이어질 수 있다.

 

○ 단백질의 기본단위인 아미노산이 여러개 연결된 형태

○ 한 아미노산의 아민기(NH2)와 다른 아미노산의 카르복실기(COOH)가 결합하여 물 분자를 잃으면서 아미노산이 연결되는 결합

 

○ 미국화학회가 발행하는 학술지로 재료과학 분야(MATERIALS SCIENCE, MULTIDISCIPLINARY)에서 상위 3.8%(9위/239개)를 차지

(피인용지수: 12.062, 2012년 기준)

 

○ 전기화학도금을 이용해 금나노입자가 표면에 도포되어 있는 상태

 

○ 검출 가능한 최소량. 우수한 센서를 판단하는 기준의 척도 중 하나

 

 

   

(A) 골드(i)와 골드나노표면(ii) 비교 (SEM 사진)

(B) 전기화학 센서의 모식도

: 전기화학도금을 통해 만든 골드나노표면에 펩타이드를 균일하고 방향성 있게 고정하기 위해 먼저 DNA 단일층을 만든다. 그 위에 방어항원(Anthrax PA)만을 선택적으로 포착할 수 있는 방어항원 펩타이드를 고정한 후 방어항원과 만나 전기화학 신호를 낼 수 있는 효소를 가지고 있는 검출항체(Detection Ab)를 고정화하여 전기화학 신호를 측정한다.

(C) 전기화학을 이용한 골드와 골드나노표면의 활성 표면적 측정

(a) 골드나노표면의 결과 (b) 골드 표면의 결과 : 전기화학 방법 중 하나인 순환전압전류법을 이용하여 전극표면의 활성 표면적을 측정한 결과로 측정전류 값이 클수록 활성 표면적이 크다는 것을 의미하는데 골드나노표면이 골드표면에 비해 약 6배 큰 표면적을 갖는다.

(A) 순환전압전류법을 이용한 방어항원 농도에 따른 결과 : 전극 표면을 –0.2 V부터 0.3의 영역에서 스캔하여 PA의 농도에 비례하는 환원 전류 값을 얻었다.

(B) 센서의 효소가 전자를 방출하는 0.065 V 에서의 전류 값을 이용한 검정곡선: PA의 농도에 따라 환원 값인 0.065 V 에서의 전류 값을 추출하여 검정곡선을 작성한 결과이며, 약 2.1 pM의 검출한계를 갖는다.

 

(A) 제작한 센서를 4도, 25도, 37도, 50도의 각기 다른 온도에서 측정 한 결과 : 온도에 의해 영향을 받는 효소 때문에 50도의 온도에서만 그 값이 조금 줄어드는 것을 확인 할 수 있다.

(B) 제작한 센서의 보관 조건에 따른 안정성 측정 결과: 방어항원을 고정화하기 전 단계까지 센서 제작 후 각기 다른 온도에서 일주일 동안 보관 후 방어항원 농도를 측정한 결과이다. 4가지 온도 보관 조건에 따라 별다른 영향없이 안정한 결과 값을 보인다.