KAIST, 도파민 성질로 병원균 생장 실시간 탐지한다

정현정·이해신 교수, 도파민 자체 중합반응으로 박테리아 탐지
병원균 생장 간편하게 탐지하고 항생제 내성 실시간 검사 기대
"미생물 배양법·PCR 검사보다 신속 간편, 감염병 확산 예방에 기여"
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[대전=뉴시스] 그림 a는 도파민 센서를 이용한 박테리아 항생제 감수성 검출원리를 설명한 모식도. b에서는 형광도 측정시 항생제 내성이 없는 경우 형광 신호 감소, 항생제 내성이 있는 경우 형광 신호 회복하는 결과가 나타나는 것을 알수 있다. c는 박테리아의 농도에 따른 나노입자의 형광신호 측정 결과며 d에서는 항생제 내성 유무에 따라 도파민 고분자 생성 여부가 결정돼 육안으로 관찰할 수 있다.

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 신경전달물질인 도파민을 이용해 박테리아(병원균)를 검출하고 내성여부를 확인할 수 있는 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

KAIST는 생명과학과 정현정·화학과 이해신 교수 공동연구팀이 도파민의 반응을 이용해 병원균 생장과 항생제 내성을 광학적으로 측정하고 눈으로 실시간 확인할 수 있는 기술을 개발했다고 7일 밝혔다.

도파민은 대다수 생명체에서 신경전달물질로 사용되며 산소가 존재하는 환경에서 다른 물질의 도움없이 두 개 이상 결합해 화합물이 되는 자체 중합반응이 일어난다. 중합된 도파민 고분자는 짙은 갈색을 나타내고 다양한 물질 표면에 흡착해 층을 형성한다.

연구팀은 이런 도파민의 성질을 이용해 병원균이 생장하는지와 항생제 내성을 갖는지를 육안과 형광으로 동시에 탐지 가능한 기술을 개발했다.
 
이 기술은 현재 사용되는 디스크 확산 검사나 균 배양 분석에 대비해 검출 시간이 짧고 중합효소 연쇄 반응(PCR 검사)과 달리 전처리 과정이 필요없어 간편하다는 큰 장점이 있다.

KAIST 나노과학기술대학원 석박사통합과정 이주훈 학생이 제1 저자로, 나노과학기술대학원 석박사통합과정 류제성 학생과 생명과학과 강유경 박사가 공동 저자로 참여한 이번 연구 결과는 재료과학 분야 국제학술지 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials, IF 16.836)' 온라인판에 지난달 3일 게재됐다.(논문명:Polydopamine Sensors of Bacterial Hypoxia via Fluorescence Coupling)

연구팀에 따르면 도파민의 자체 중합반응에서는 개시제 역할을 하는 산소가 필수적인 존재다. 연구팀은 박테리아가 생장함에 따라 용액 내의 산소를 소모하는 현상을 이용, 박테리아의 생장 정도를 도파민의 중합반응과 연관해 관측할 수 있는 방법을 개발했다.

이어 박테리아의 생장에 영향을 끼치지 않는 '덱스트란'을 형광나노입자 소재로 제조해 실험에 사용했다.
 
도파민의 자체 중합반응은 용액 내에 존재하는 형광나노입자 표면에 흡착하고 층을 형성해 입자의 화학·물리적 성질에 큰 변화를 일으키고 기존에 발생하던 강한 형광 신호를 약하게 만든다.

 또 도파민과 나노입자가 첨가된 용액 내에서는 도파민의 산화와 자체 중합반응 때문에 용액의 색이 짙은 갈색으로 변한다.

반면 박테리아가 용액 내에 존재하는 경우 박테리아 생장 때문에 산소가 소모돼 도파민의 자체 중합반응은 저해되고 용액의 색깔은 투명하게 유지된다. 나노입자의 형광 신호 역시 원래의 신호를 유지하게 된다.

연구팀은 이러한 현상을 박테리아의 생장 및 항생제 내성을 탐지하는데 적용할 수 있다는 점에 착안, 항생제에 내성을 가지는 '뉴 델리 메탈로-베타락타마제 1(NDM-1)'을 발현하는 대장균(E. coli)을 대상으로 실험을 진행했다.

일반적인 대장균의 경우 카바페넴 계열의 항생제인 암피실린에 의해 생장이 크게 저해되는데 항생제에 내성을 갖는 대장균은 생장이 잘 이뤄진다.

항생제 내성을 가지는지에 따라 소모하는 산소의 양이 달라지고 이 차이 때문에 도파민의 중합반응 여부를 육안과 광학적 측정으로 확인할 수 있다는게 연구진의 설명이다.

이번 연구서 공동연구팀은 박테리아의 생장이 도파민의 자체 중합 반응에 영향을 끼치고 이때 산소 농도가 주요 역할을 한다는 사실을 검증해 냈다.

특히 박테리아의 농도 및 시간에 따라 용액의 산소 농도가 변화해 도파민의 자체 중합 반응이 조절되는 현상을 확인, 형광 측정 및 육안으로 관찰되는 색깔 변화를 통해 박테리아의 생장 정도를 검출할 수 있음을 증명했다.

정현정 교수는 "이번 연구는 도파민의 자체 중합반응을 생체시스템에서 규명한 연구"라면서 "박테리아 생장 및 항생제 내성의 실시간 검출에 적용할 수 있으며 기존 미생물 배양법보다는 신속하게, PCR 검사보다는 간편하게 진단이 가능해 감염병 확산 예방에 크게 기여할 것으로 기대한다"고 말했다. 

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