아미노산(글루탐산, 아스파트산) 및 박테리아 유입에 따라 광학 신호를 생성하는 액정 기반 시스템 모식도. (그림=포스텍 제공)
6시간 이상 걸리던 식중독균 검사를 단 1분 만에 끝낼 수 있는 초고속 바이오센서 기술이 개발됐다. 식중독 피해를 최소화할 수 있을 것으로 전망된다.
포스텍 화학공학과 김영기 교수·통합과정 최예나씨, 서울대 화학과 손창윤 교수·통합과정 이상민 씨, 국립군산대 이차전지에너지학부 이민재 교수 공동연구팀이 '아미노산'과 '액정'의 상호작용을 이용한 고감도 광학 인식 시스템을 개발했다.
연구는 국제 학술지인 '어드밴스드 사이언스(Advanced Science)'에 게재됐다.
연구의 핵심은 '계면'이다. 계면은 두 물질이 맞닿는 경계로, 세포막 반응이나 면역 작용처럼 중요한 생명 현상이 일어나는 곳이다. 하지만 이 계면에서는 다양한 분자가 동시에 얽히고설키기 때문에 그 복잡한 움직임을 정확히 읽어내기 어려웠다.
연구팀이 주목한 소재는 '액정'이다. TV나 스마트폰 화면에 사용된다고 널리 알려져 있는데 외부 작은 변화에도 분자 배열이 민감하게 바뀌고 그 변화를 빛의 밝기나 색으로 나타내 바이오센서 분야에서도 떠오르는 소재다. 분자의 신호를 빛으로 바꿔주는 일종의 '통역자'인 셈이다.
연구에서 연구팀은 구조가 비슷한 두 아미노산, '글루탐산'과 '아스파트산'이 액정과 서로 다른 방식으로 반응한다는 사실을 발견했다.
두 아미노산은 액정 표면에 붙었다가 떨어지는 '흡착-탈착' 과정을 반복하며 액정 배열을 변화시키고 그 결과 밝아졌다가 어두워지는 광학 신호를 만들어 냈다.
이 과정은 pH(용액의 산성도)에 따라 달라졌다. 아미노산 전하 상태가 바뀌면서 액정과의 결합 방식도 달라지기 때문이다.
음전하 상태에서는 계면에 안정적으로 붙어 지속적인 신호를 만들었고 중성일 상태에서는 일시적인 신호만 나타났다. 양전하 상태에서는 두 아미노산 간 신호 강도 차이가 뚜렷했다.
여기에 살모넬라, 포도상구균, 대장균 등 박테리아 부산물이 더해지자 변화가 더욱 뚜렷해진다.
아미노산과 이들 물질이 결합해 형성한 복합체는 액정 표면에 더 강하게 붙었다. 아미노산이 액정 표면에 훨씬 강하게, 안정적으로 달라붙어 광학 신호가 증폭되며 세균의 존재를 눈으로 쉽게 구별할 수 있게 된 것이다.
이 시스템은 극미량(100cfu/ml)의 살모넬라균도 1분 이내에 감지했다. 기존 검사법(PCR, ELISA)이 최소 6시간 걸리는 것과 비교하면 획기적인 속도다.
특별한 장비 없이도 눈으로 확인할 수 있으며 살모넬라균 부산물의 특성(전하, 탄소 사슬 길이 등)에 따라 다른 신호 패턴을 보인다는 점도 장점이다.
이 기술이 상용화된다면 식품 공정이나 병원 진단, 환경 모니터링 등 분야에서 즉각적인 오염 감지가 가능해진다.
특히 복잡한 장비 없이 빛 변화만으로 세균을 확인할 수 있어 의료 인프라가 부족한 지역에서도 잠재력이 크다.
김영기 교수는 "생체분자 간 복잡한 계면 상호작용을 즉각적인 광학 신호로 변환하고 증폭하는 액정 기반 시스템의 설계 원리를 새롭게 제시했다는 점에서 차세대 액정 기반 센서 분야 전반에 폭넓게 적용될 수 있을 것"이라고 밝혔다.
포항=김규동 기자
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