이택 교수(화학공학과) 연구팀, 우유에서 대장균 검출을 위한 현장 DNA전처리장치-고속 바이오센서 통합 시스템 개발

 

- 현장에서 사용 가능한 대장균 DNA전처리 방법 단순화 및 고속 검출 바이오센서 시스템 통합 -

- 개발한 전처리 장치로 추출된 DNA를 적용한 바이오센서의 현장 적용 가능성 제시 -

- 국제 저명 학술지 Chemical engineering journal (IF : 13.3, JCR: 3.8%) 게재 -

  모교 이택 교수 연구팀(화학공학과) 윤예진 석사과정생이 현장에서 사용 가능한 대장균 DNA전처리장치와 통합된 고속 검출 바이오센서 시스템을 개발하였다. 개발한 전처리장치는 우유에 존재하는 대장균의 DNA를 20분 이내에 신속하게 추출할 수 있었으며 이를 AC electrothermcal flow(ACEF) 기반 바이오센서에 적용하여 10분 이내 검출이 가능한 전처리-바이오센서 통합 검출 시스템을 구축하였다.     대장균은 흔하고 위험한 식품 매개 병원균으로, 사람과 동물에게 여러 질병을 유발한다. 심한 경우 피가 섞인 설사, 신부전 및 사망까지 유발하는 대장균은 전 세계 식중독의 20%를 차지한다. 대장균 유발 식중독은 흔히 오염된 식수나 음식을 섭취하여 발생하며 그 중 오염된 유제품은 식중독 관련 입원 환자의 가장 큰 비중을 차지한다. 다양한 영양소를 포함하는 우유는 미량의 대장균이 증식하기에 최적의 환경이므로 우유의 가공 단계에서 대장균의 존재를 신속하게 감지하고 모니터링 할 수 있는 시스템이 필수적이다. 이에 이택 교수 연구팀은 우유 내의 대장균을 신속하게 탐지할 수 있는 DNA전처리-전기화학 바이오센서 통합 시스템을 개발하였다. 생물학적 유전의 기본 물질인 단일가닥 DNA(ssDNA)는 타겟물질과의 특이적인 서열로 제작이 가능하며, 이를 바이오센서의 수용체로 적용 시 민감하고 선택적인 검출이 가능하다. ssDNA는 쉽게 기능화될 수 있으며 이를 이용한 다양한 공유결합 기술을 통해 바이오센서에 친화적으로 고정될 수 있다. 또한, 타겟 DNA와의 결합 시 전기 분석의 높은 민감도를 제공하므로 전기화학 방법을 통해 타겟을 민감하고 선택적으로 정량할 수 있다. 하지만 우유와 같은 복잡한 매트리스에서 대장균의 DNA를 추출하기 위한 전처리 단계는 다양한 절차로 인해 긴 시간이 소요된다. 이에 이택 교수 연구팀은 대장균의 현장 검출을 위한 신속한 검출 플랫폼 구축을 위해 밸브로 DNA 추출 시약을 제어하여 순차적 반응이 가능한 전처리 장치를 구축하여 DNA기반 전기화학 바이오센서와 통합하였다. 전처리 장치는 tetraethyl orthosilicate (TEOS)로 코팅된 유리 비드가 들어있는 챔버와 시약을 제어할 수 있는 밸브로 구성되어 있으며, 대장균 잔류물을 효과적으로 제거한다. 대장균이 존재하는 우유를 챔버로 통과시키고, 밸브를 조절하여 DNA를 추출한 후 물리적 후속 처리를 통해 핵산 방출 및 단편화하는 원리이다. 이를 통해 추출한 대장균의 표적 DNA를 바이오센서에 적용하여 전기화학적 성능평가를 진행했다. 대장균의 유전 분석을 통해 변이가 높은 유전 서열을 선별하여 제작한 ssDNA는 바이오센서의 수용체로 적용되었으며, 전처리 장치를 통해 추출한 DNA의 결합에 의해 민감한 전기화학 신호 변화를 보였다. 바이오센서의 타겟 결합 시간을 단축하기 위해 ACEF 기법을 도입하여 검출 시간을 10분으로 단축했으며 자연 확산 24시간 대비 97.334%의 높은 정확성으로 신속한 검출의 신뢰성을 입증했다. 센서는 EIS(전기화학적 임피던스 분광법)으로 평가되었으며, 상용화된 전처리 키트로 추출한 핵산보다 개발한 전처리 장치에서 민감한 센서의 신호 변화가 관찰되었다. 제작한 바이오센서는 10E-04 ~ 1 ng/μL의 범위에서 선형적으로 작동했으며, 검출 한계는 DIW에서 9.883 × 10E-5 ng/μL, 실제 우유에서 9.235 × 10E-5 ng/μL로 민감한 검출 성능을 나타냈다. 또한, 대장균 다음으로 흔한 식중독 유발균인 salmonella typhimurium의 존재 비율에 따른 매트릭스 효과는 7.425%으로, 간섭종의 존재에도 대장균 농도에 따른 민감한 신호 변화를 나타냈다. 실제 부패한 우유에서의 적용성을 평가하기 위해 진행한 위양성 테스트는 음성샘플 20개, 양성샘플 20개의 데이터에서 진행됐으며 92.5%의 높은 정확성으로 위양성을 구분하였다. 음성/양성의 임계 신호 값은 24.360 kΩ였으며, 민감도와 선택도는 각각 90% 및 85%로 센서의 높은 성능을 보였다. 결과적으로 직접 개발한 전처리 장치와 통합된 대장균 검출 바이오센서는 총 30분 이내에 실제 우유에서 민감하고 정확한 대장균의 검출이 가능했으며 이는 대장균 검출을 위한 효과적인 플랫폼을 제공한다. 본 연구는 신속한 대장균 검출에 있어 전처리 장치와 바이오센서를 통합한 첫 번째 연구라는 점에서 유의미하며, 실제 현장 적용 가능성을 입증하여 우수한 유해균 검출 센서로 적용될 수 있음을 시사한다. 이택 교수 연구팀이 개발한 전처리-바이오센서 통합 장치는 대장균 뿐만 아니라 다양한 유해균 검출을 위한 플랫폼으로서의 광범위한 잠재력을 나타낸다. 본 연구는 한국 환경부(MOE)의 수생태계 건강 관리 프로그램을 통한 한국환경산업기술원 (2020003030001)의 지원과 한국연구재단 (2021R1C1C1005583), 국가과학기술연구회(CRC22021-200) 지원으로 수행되었으며, 연구 결과는 화학공학 분야의 저명한 국제 학술지인 Chemical engineering journal (IF : 13.3, JIF ranking : 96.2 %)에’ Construction of on-site DNA pre-treatment device and rapid electrochemical biosensor set for Escherichia coli detection in milk’ 라는 제목으로 게재되었다. (DOI: https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.155898)   출처 : 광운대학교 최신연구성과 (kw.ac.kr)