공기 속 병원성 박테리아, 색 변화 이용해 실시간으로 찾는다

생명연 연구진, 15일 국제 학술지 ‘유해 물질 저널’에 연구 발표

임은경 한국생명공학연구원 바이오나노연구센터 선임연구원 연구진이 현장에서 실시간으로 대기 중에 존재하는 병원성 박테리아를 검출할 수 있는 플랫폼을 개발하는 데 성공했다. 사진은 임은경 선임연구원./한국생명공학연구원

국내 연구진이 공기 속에 존재하는 병원성 박테리아를 시각적으로 검출할 수 있는 바이오센서를 개발했다. 의료, 식품 안전, 환경 등 다양한 분야에서 혹시 모를 공기 중 박테리아 감염에 대한 불안을 낮춰줄 것으로 기대된다.

한국생명공학연구원(생명연)은 임은경 바이오나노연구센터 선임연구원연구진이 현장에서 실시간으로 대기 중에 존재하는 병원성 박테리아를 검출할 수 있는 플랫폼을 개발하는 데 성공했다고 16일 밝혔다. 연구 결과는 환경 분야의 국제 학술지 ‘유해 물질 저널(Journal of Hazardous Materials)’에 15일 게재됐다.

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

현재 박테리아 검출에는 미생물을 분리 배양하여 종을 판별하는 분리 동정법, 생화학적 특성을 확인해 판별하는 생화학 동정법 등이 전통적으로 사용되고 있다. 그러나 박테리아 분리 배양과 생화학적 반응 모니터링에 시간이 오래 걸리고 결과도 부정확하다는 단점이 있다. 유전자 증폭 기술(PCR)이나 염기 서열 분석 기술(NGS), 질량 분석 기술(MS) 등의 첨단기술을 접목해 신속성과 정확성은 높아졌으나 고가의 장비와 전문기술이 필요하거나 높은 검사 비용이 든다는 한계가 있다. 게다가 현장에서 샘플을 채취한 후 분석을 위해 실험실로 운반하는 과정에서 샘플이 오염될 우려도 있다.

연구진은 현장에서 별도의 분석 장비 없이 시료의 색 변화로 누구나 손쉽게 표적 박테리아를 검출할 수 있는 바이오센서를 개발했다. 연구진은 박테리아가 생산하는 ‘유레이스(urease)’라는 요소 분해 효소가 암모니아를 만들어 낸다는 것에 착안했다. 암모니아를 만나면 노란색에서 밝은 자주색으로 색이 변하는 시약을 제작하고 이를 센서에 이용했다. 특히 시약에는 크리스퍼(CRISPR) 유전자가위 기술을 적용해 표적 박테리아 유전자와 결합하면 유레이스 효소 발생이 증폭돼 보다 민감하고, 극명한 색 변화를 일으키도록 했다. 크리스퍼 유전자 가위는 유전정보를 담은 디옥시리보핵산(DNA)에서 특정 유전자만 골라 잘라내는 효소 단백질 복합체를 말한다.

이를 통해 1시간 이내에 맨눈으로 표적 박테리아를 검출할 수 있었다. 또 함께 개발한 스마트폰 앱을 활용하면 더욱 정밀하고, 빠르게 박테리아의 농도를 빠르고 쉽게 정량적으로 분석할 수 있었다.

연구를 이끈 임은경 선임연구원은 “유전자가위 기술과 비색 변화 기술을 융합해 전문가가 아니더라도 현장에서 시각적으로 신속하게 공기 속 부유하는 병원성 박테리아의 존재 여부를 확인할 수 있다는 것에 의미가 있다”며 “향후 제품화를 통해 실내외 환경 모니터링과 공중 보건관리 및 감염병 예방 및 확산 방지에 기여할 수 있을 것으로 기대된다”고 전했다.

참고 자료

Journal of Hazardous Materials(2023), DOI: https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2023.132398

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