고려대·이화여대 공동연구팀, 살아있는 미생물 실시간 구별하는 형광 검출법 개발

전압감응형 염료와 전기장 활용… 24시간 이상 걸리던 미생물 활성 확인을 실시간으로

미생물의 활성 상태를 확인하는 데 24시간 이상 걸리던 작업을 실시간으로 수행할 수 있는 기술이 개발됐다. 고려대학교(총장 김동원) 전기전자공학부 채빌리(Beelee Chua) 교수와 이화여자대학교 환경공학과 손아정 교수 공동 연구팀은 전압감응형 염료와 전기장을 이용해 살아있는 미생물 세포와 죽은 세포를 정확하고 신속하게 구별하는 형광 기반 검출법을 개발했다고 밝혔다.

미생물 세포를 다루는 생명공학 및 관련 산업 현장에서는 온전한 상태로 살아있는 세포를 모니터링하는 기술이 필수적이다. 미생물의 대사 과정이 유용한 화학물질이나 약품을 생산하는 데 활용되는 만큼 다양한 이공계 분야에서 핵심적인 역할을 하기 때문이다.

그러나 기존에는 활발한 대사를 유지하는 활성 상태의 미생물을 검출·분석하는 데 24시간 이상이 소요되는 한계가 있었다. 또한 신속 검출 방법은 주로 유전체 정보나 대사 산물에 의존하기 때문에 미생물이 살아있는지 죽었는지 정확하게 구별하기 어려웠다.

연구팀은 살아있는 미생물만이 가지는 고유한 세포막전위 신호 변화와 전기장에 의한 반응에 주목해 이 문제를 해결했다. 세포막전위는 세포 내부와 외부의 전하 차이로 세포막 안팎에 형성되는 미세한 전압을 말한다. 외부에서 인위적으로 전기장을 가하면 살아있는 세포만 전기 자극에 반응해 전압감응형 염료인 ‘diS-C3-(5)’를 세포 안으로 이동시키거나 밖으로 방출한다. 전압감응형 염료는 세포막 주변의 미세한 전압 변화에 따라 빛을 내는 형광 신호가 달라지는 특수 염료로, 연구팀은 이러한 형광 신호 변화를 이용해 미생물의 활성 상태를 빠르게 구분했다.

연구팀은 기존에 현미경 관찰에만 머물렀던 염료 분석의 한계를 극복하기 위해 외부 전기장을 가하는 동시에 형광 신호 반응을 실시간으로 측정할 수 있는 맞춤형 분석 장치도 개발했다. 이 장치를 활용해 고농도 양이온이 존재하는 수돗물 환경 시료에서도 살아있는 박테리아를 안정적으로 검출하며, 미생물의 유무를 넘어 정확한 수량과 농도까지 정밀하게 측정하는 우수한 정량 성능을 입증했다.

채빌리 교수는 “살아있는 미생물 모니터링 기술의 한계는 관련 산업과 연구 발전을 저해하는 요인이 되어 왔다”며 “이번에 개발된 분석법은 살아있는 미생물 기반 기술과 이를 모니터링하는 기술 간의 격차를 해소하는 데 크게 기여할 것”이라고 밝혔다.

이번 연구 성과는 국제 학술지 ‘바이오센서스 앤 바이오일렉트로닉스(Biosensors & Bioelectronics, IF=11.8, JCR 상위 2.7%)’ 온라인에 7월 23일 게재됐다. 논문명은 ‘Live bacterial specific fluorescence quantification via switchable exogenous electric field induced change in membrane potential’이며, 채빌리 교수와 손아정 교수가 교신저자로, 이화여대 이정은 석사과정생이 제1저자로, 고려대 전기전자공학부 이민수(Brian M. Lee) 학생(21학번)이 공동저자로 참여했다. 연구는 한국연구재단(NRF)의 재정지원을 받아 수행됐다.

이번 검출법은 생명공학과 환경 분야에서 살아있는 미생물의 상태를 신속하고 정확하게 파악해야 하는 산업 현장의 모니터링 수요에 부합하는 기술로, 향후 미생물 기반 생산 공정과 수질 환경 분석 등 다양한 분야에서 활용될 수 있을 것으로 보인다.

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