Neoways의 막나가는 분자생물학

병원균은 다른 생물에 질병을 유발하는 유기체(세균, 바이러스, 기생충)이다. 미국 질병통제예방센터(Centers for Disease Control and Prevention, CDC)의 데이터에 따르면, 알려진 병원균들로 인해 미국에서 매년 1400만 명이 병에 걸리고, 6만 명이 입원하게 되며 1,800명이 사망하게 된다. 또한 주요 문제는 병원에서의 미세세균 감염이다. 다른 CDC 데이터는 매년 대략 2백만 명의 사람들이 병원에서 병원균에 의해서 감염된다고 추산한다. 매년 44,000명에서 98,000명 사이의 사람들이 병원에서 전염되어 사망한다. 유럽에서의 사망자 수도 동일하게 많다. 이것 이외에도 병원균을 기초로 한 생물 무기로 인한 테러 공격의 위협으로부터 벗어나기 위해서는 빠르고 신뢰할 수 있는 생물센서의 개발이 주요 이슈이다. 그러나 오늘날의 문제는 현재의 분석 장치로는 병원균을 빠르게 검출할 수 없다는 것이다.

전통적인 방법에서, 대장균, 살모넬라균 또는 리스테리아균(Listeria) 같은 병원균들을 확인하기 위해서는 세포 배양이 필요한데 이런 시간 낭비로 전염이 더 진행되고 병에 걸려서 심지어 사망에 이르게 된다.

과학자들은 나노기술을 기초로 한 훨씬 더 빠른 검출 시스템을 개발했다. 그러나 몇 분 안의 상당히 빠른 분석 평가를 하기 위해서는 적절한 표적 DNA를 추출하기 위한 세포 용해(cell lysis)를 수행해야 하고 테스트 샘플을 조절하기 위한 전처리 단계가 필요하다. 또한 상당히 복잡하다는 단점을 가지고 있다.

병원성 세균 세포를 검출하고 정량화하기 위한 빠르고, 고감도의, 선택성이 있는, 저렴한, 그리고 쉽게 사용할 수 있는 방법을 개발하기 위한 노력의 결과로, 스페인 연구진은 실시간에 가까운 속도로 세균성 장티푸스균(Salmonella Typhi)를 선택적으로 검출할 수 있는 탄소 나노튜브로 만들어진 병원균 생물센서를 증명했다. 이 생물센서의 가장 중요한 강점은 간단한 양성/음성 테스트가 제로-용인(zero-tolerance) 조건에서 다른 종류의 세균과 교차반응 없이 수행될 수 있다는 것이다. 전위차 분석으로 이루어진 간편한 측정은 미세생물학 분석에서 새로운 길을 열어 줄 것이다.

센서를 만들기 위해서 연구진은 앱타머(aptamer)에 카르복실화된 단일벽 탄소나노튜브를 연결했다. 앱타머는 세균이 포함된 다양한 분자 표적을 선택적으로 검출하기 위한 매우 적절한 반응기일 뿐만 아니라 탄소 나노튜브에서 자기 조립을 한다. 이 하이브리드 나노물질은 효율적인 나노센서로서 벌써 증명되었다(Small, 10.1002/smll.200700664).

하이브리드 물질인 앱타머-단일벽 탄소나노튜브는 생물센서의 감지층 및 변환층으로 작동된다. 표적 세균은 인산염기로 분리되는 앱타머의 구조적 변화를 촉진한다. 이때, 단일벽 탄소나노튜브의 전하 변화와 기록된 전위의 순차적 변화를 유도하면서 단일벽 탄소나노튜브 측벽에 pH 7.4의 큰 이온화가 발생된다. 연구진은 이 생물센서에서 높은 수준의 선택성을 관찰했다. 즉 표적 세균인 장티푸스균 이외의 다른 세균에서는 어떤 반응도 관찰되지 않았다. 이 새로운 생물센서는 pH 값을 측정하는 간단한 방법으로 병원균을 검출할 수 있도록 했다.

이 연구결과는 Angewandte Chemie International Edition에 "Immediate Detection of Living Bacteria at Ultralow Concentrations Using a Carbon Nanotube Based Potentiometric Aptasensor" 이라는 제목으로 게재되었다(10.1002/anie.200902090).

그림. 단일벽 탄소나노튜브에 부착된 앱타머의 모식도. 단일벽 탄소나노튜브에 코팅된 전극에 부착된 앱타머는 세균과 선택적으로 상호작용한다. 초래된 전기화학적 반응은 높은 정확성과 재현성을 가지고 있고 매우 낮은 세균 농도도 검출할 수 있다.
 

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Posted by 네오