Special 질병 진단용 소재 및 센서 기술 개발 동향

친환경 바이오 나노소재를 활용한 질병진단용 전자코 개발

김성조_부산대학교 BIT 융합기술연구소 연구원
오진우_부산대학교 나노과학기술대학 나노에너지공학과 교수

1. 서론

정보통신기술의 발달과 높은 스마트폰 보급률은 앱을 활용한 온라인 시장 소비 문화를 확산시켰다[1]. 또한, COVID-19 팬데믹을 거치면서 온라인 시장의 이용은 더욱 폭발적으로 증가했고, 그와 더불어 소비 패턴 분석을 통한 효율적인 유통도 가능해졌다. 그럼에도 불구하고 COVID-19 팬데믹으로 발생한 다양한 불균형은 필수 식품의 원가 상승과 식량 문제를 만들었고, 그로 인해서 유통 과정에서 발생하는 손실과 비용을 절감의 필요성이 절실해졌다[2]. 특히, 후숙이 필요한 과일과 채소(토마토, 바나나, 복숭아, 사과, 배, 망고, 아보카도 등)은 유통 과정에서 발생하는 과숙으로 인한 손실이 매우 심각한데, 수확 후 숙성 과정의 모니터링과 관리를 통해서 손실을 감소시키는 방안들이 모색되었다. 다양한 식물 호르몬 중 하나인 에틸렌이 ppm(parts per million) 또는 ppb(parts per billion)와 같은 낮은 농도에서도 과일과 채소의 숙성 과정에 큰 영향을 주기 때문에[3], 이를 검출하여 숙성 과정을 관리하려는 연구가 많이 수행되었다[4].
신선 식품의 숙성 과정을 관리하기 위해서 다양한 검출 센서들이 개발되었다[5]. 가스 크로마토그래피 (GC)와 질량 분석기 (MS)가 조합된 장비 (GC-MS)는 숙성 과정에서 발생하는 다양한 가스 성분들을 검출하여 숙성 과정을 정량화할 수 있었다. 또한, 화학적, 전기 화학적, 그리고 광학적인 접근을 이용한 센서들도 많이 개발되었는데, 이 센서들은 ppm에서 ppb 범위의 검출 분해능을 갖고 있다. 하지만 이러한 센서들은 실제 측정 환경에서 발생하는 복잡한 가스 성분 조합에 유연하게 대응하여 대상 물질을 검출하는 것에는 명확한 한계를 갖고 있다.
최근 친환경 바이오 나노소재인 M13 박테리오파지를 이용하여 개발된 색 센서가 에틸렌을 비롯한 휘발성 유기 화합물 (VOCs, Volatile organic compounds)에 대한 탁월한 검출 능력으로 주목받았다[6]. M13 박테리오파지는 유전 공학 기술을 통해서 대상 화학 물질과의 분자간 상호 작용(또는 결합 친화도)을 쉽게 조정할 수 있어서 다양한 가스들에 대응하여 반응할 수 있는 센서를 개발에 매우 적합했다. 게다가, M13 박테리오파지의 수용체와 표적 물질 사이의 상호작용에는 화학 반응이 필요하지 않기 때문에, 센서의 안정성과 반복성에서도 매우 우수한 성능을 보였다. M13 박테리오파지 기반 색 센서는 농산물 원산지 판별, 폭발성 화학물질 검출, 그리고 폐암 진단에 이르기까지 다양한 분야에 적용하는 것이 가능했다. 더 나아가, M13 박테리오파지와 유전 공학 기술을 이용하여 다중 배열 색 센서가 개발됐고, 인공 신경망에 기반한 기계 학습을 통해 복잡한 VOC 혼합 가스를 구별할 수 있는 전자 코 센서로까지 발전했다. 우리는 이 글에서 M13 박테리오파지 기반 다중 배열 색 센서와 전자 코 개발의 진행 상황을 설명하고자 한다. M13 박테리오파지를 기반한 전자 코 센서 개발에 대한 이해를 통해 다양한 질병의 진단 및 유해물질 검출 기술 발전과 안전보건의 향상을 위한 연구에 도움이 되길 기대한다.

2. 본론

1) M13 박테리오파지의 자기조립(Self-Assembly)과 구조색(Structural color)

자연의 생물들은 자신들만의 독특한 색상을 보유하고 있는 경우가 많다. 그중에서 칠면조는 매우 흥미롭게도 감정이나 주변 환경의 변화에 따라 피부색이 변한다(그림 1a) [6]. 칠면조 피부의 콜라겐 나노구조의 변화는 빛의 산란 파장 변화를 유도하여 관측되는 피부색 변화를 발생시키고, 이를 구조색(Structural Color)이라고 한다(그림 1b, c). 이러한 구조색 발현의 원리는 M13 박테리오파지의 자기조립 구조를 이용한 구조색 발현 연구에 영감을 줬다[7]. M13 박테리오파지(그림 1d)는 특정한 자기조립 조건에서 정렬된 박막(그림 1e)을 형성한다. 이 과정에서 M13 박테리오파지로 구성된 다수의 번들(Bundle)이 형성되고, 이 번들의 사이의 거리(d1 및 d2)의 크기가 변할 때 빛의 산란 파장의 변화가 발생한다(그림 1f). 번들 사이의 거리는 M13 박테리오파지가 다른 가스 분자와 상호작용할 때 변한다. 또한, 이 상호작용은 유전 공학 기술을 이용하여 조정이 가능하기 M13 박테리오파지의 자기조립 구조는 색 센서 개발에 활용하기에 매우 적합하다.

그림 1. 나노구조에 의한 구조색. (a) 칠면조의 피부색 변화. (b) 칠면조 피부의 콜라겐 구조와 (c) 내부의 나노구조. (d) M13 박테리오파지와 (e) 자기조립 된 박막의 AFM 이미지. (a-c)와 (f)는 Ref.6, (d)와 (e)는 Ref.8에서 인용됨.

-----이하 생략

<본 사이트에는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2023년 2월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 PDF를 다운로드 하실 수 있습니다.>