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[사이언스] 박테리아, 세균 등 공기 중 바이오미세먼지 실시간 탐지 가능하다

부유미생물(세균, 곰팡이) 고농축 액상포집 및 ATP 발광 유도효소 고정화 기술

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특허뉴스 박진석 기자
기사입력 2020/04/01 [12:53]

▲ 공기 중에 부유하는 미생물이 사이클론에 포집되어, 부유미생물 내 ATP와 루시퍼린/루시퍼라아제 엔자임 효소의 반응으로부터 방출되는 생물발광을 측정하는 원리를 보여주고 있다. 저널표지(그림제공 : 세종대 정재희, reprinted with permission from the ACS Sensors (DOI: 10.1021/acssensors.9b02001). Copyright 2020 American Chemical Society.)  © 특허뉴스

 

공기 중 떠다니는 세균이나 곰팡이의 농도를 실시간으로 탐지할 수 있는 바이오에어로졸 모니터링 시스템 기술이 소개됐다. 바이오에어로졸은 생물학적 기원을 가진 공기 중 부유입자를 통칭한다.

 

한국연구재단은 세종대학교 정재희 교수 및 KIST 환경복지연구센터장 김병찬 박사 연구팀이 공기 중 부유미생물이 가진 생체물질, ATP의 농도를 실시간으로 측정하는 시스템을 개발했다고 1일 밝혔다.

ATP(Adenosine Triphosphate 아데노신 삼인산은)는 생명체의 세포가 호흡, 대사 등을 위해 에너지로 사용하는 물질로 인산기가 떨어지면서 에너지가 발생된다.

 

이 시스템은 환경성 질환이나 전염성 질병과 관련된 부유미생물을 포착, 안심할 수 있는 생활환경 조성을 위해 다양하게 응용될 수 있을 것으로 기대된다. 그러나 숙주로부터 ATP를 빌려 쓰는 바이러스 탐지에는 적용할 수 없다.

 

영양액을 응고시킨 고체 배지에 시료를 배양, 증식한 미생물 집락을 세는 방법은 시료포집부터 결과분석까지 하루 이상 소요되어 현장에서의 즉각적 확인을 통한 노출저감 관리에 어려움이 있을 수 있다.

증식한 미생물 집락을 세는 방법으로 콜로니계수법을 이용하는데, 이 방법은 박테리아 또는 곰팡이 같은 미생물을 고체 배지 상에 접종하고 배양함으로써 형성되는 미생물의 집락(콜로니, colony) 수를 측정한다.

 

때문에 부유미생물을 액상으로 포집, 미생물이 가진 ATP와 반응해 빛을 내는 발광효소를 이용하려는 다양한 시도가 있었다.

하지만 극저농도(1억 개 입자 중 1)로 존재하는 부유미생물을 센서가 읽어낼 수 있을 정도로 농축하는 데 한계가 있었고, 시료 포집부터 분석까지 일련의 작업들이 연속적으로 자동화되지 못했다.

또 상온에서 활성이 저하되는 발광효소의 특성상 장시간 연속적 모니터링에 이용하기 어려웠다.

 

연구팀은 청소기부터 화력발전소에 이르기까지 공기에 섞여있는 먼지를 포집하는데 널리 쓰이는 사이클론을 개량해 부유미생물을 액상으로 100만 배 까지 농축하는 데 성공했다.

 

기존 미국 연구팀이 달성한 78만 배 보다 향상된 것으로, 공기 1m3(액체로 환산시 1,000,000ml)100 CFU 정도로 존재하는 미생물을 100만분의 1인 단 1ml의 액상으로 포집할 수 있는 수준이다.

연구팀은 고속으로 유입되는 시료의 크기에 따라 벽에 부딪혀 가라앉는 속도가 다른 것을 이용해 물질을 분리하는 사이클론을 개량해 농축성능을 높였다.

 

핵심은 시료와 닿는 사이클론 내부 표면을 균일한 액막이 형성되도록 초친수성 물질로 처리한 것이다. 이를 통해 공기 중 시료를 액상 계면에 자연스럽게 액화 포집하는 동시에, 바로 탐지부로 이송되도록 자동화하는 데 성공했다.

또한 상온에서도 한 달 이상 활성을 유지할 수 있도록 발광효소와 기질을 디스크 형태의 종이에 동시에 고정화하여 탐지부를 구성함으로써 모니터링의 지속성을 보완했다.

 

나아가 다중이용시설인 서울특별시 내 6개 지하철 역사에서 개발된 시스템에 대한 현장적용 평가를 실시한 결과 5분마다 연속적으로 부유미생물 농도정보를 얻을 수 있었고 이 정보는 기존 콜로니 계수법으로 측정한 농도와 근사한 것으로 나타났다.

 

연구팀은 향후 현장의 특성을 고려한 다양한 실내외 대기환경을 모니터링할 수 있는 실용화 연구를 계속할 계획이다.

 

이번 연구결과는 국제학술지‘ACS 센서(ACS Sensors)’에 표지논문으로 228일 게재되었다.

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