체내 신경전달물질인 도파민의 성질을 이용해 박테리아(병원균)를 쉽게 검출할 수 있는 기술이 개발됐다.
인류 위협하는 항생제 내성
박테리아의 항생제 내성 문제는 현대인의 건강을 위협하는 위험요인으로 꼽히고 있다. 항생제 내성에 대한 적절한 대처가 없다면 30년 이내에 항생제 내성균에 의한 피해가 암보다 더 현대인의 수명을 줄일 수 있다는 보고서가 발표되기도 했다. 항생제 내성균의 종류가 점차 늘어나면서 미국 질병통제예방센터(CDC)는 연간 최소 200만 명 이상의 환자가 항생제 내성 병원균에 의해 발생하고 있다고 보고했다.
항생제 내성 박테리아의 확산 문제에 대응하기 위해 간편하고 신속하게 항생제에 대한 감수성을 검사할 수 있는 기술이 절실히 필요하다. 현재 가장 흔히 사용되는 검사 방법으로는 배양 검사가 있는데 이의 경우 소요 시간이 2~7일로 몹시 길어 실제로 필요한 조치를 취하는데 한계점을 많이 지닌다. 또 실시간 중합효소연쇄반응(Real Time Polymerase Chain Reaction, RT-PCR)을 이용한 유전자 검사법을 사용할수 있으나 이는 숙련된 전문가 및 고가의 장비가 필요하다는 점에서 적용 범위에 한계가 있다.
도파민 성질 이용해 병원균 검출 기술 개발
KAIST(총장 신성철)는 생명과학과 정현정 교수, 화학과 이해신 교수 공동연구팀이 도파민의 반응을 이용해 병원균의 생장과 항생제 내성을 광학적으로 측정하고 맨눈으로 실시간 검출하는 기술을 개발했다고 밝혔다.
도파민은 대다수 생명체에서 신경전달물질로 사용되며, 산소가 존재하는 환경에서 다른 물질의 도움 없이 자체 중합반응(두 개 이상 결합해 큰 화합물이 되는 일)이 일어난다. 이렇게 중합된 도파민 고분자는 짙은 갈색을 나타내고, 다양한 물질 표면에 흡착해 층을 형성한다.
연구팀은 실제로 박테리아의 생장이 도파민의 자체 중합 반응에 영향을 끼치는지, 또 이때 산소 농도가 주요 역할을 하는지 검증하는 연구를 진행하였다. 또한 박테리아의 농도 및 시간에 따라 용액의 산소 농도가 변화하여 도파민의 자체 중합 반응이 조절되는 현상도 확인하였다.
형광 측정 및 육안으로 관찰되는 색깔 변화를 통해 박테리아의 생장 정도를 검출할 수 있음을 증명하였고, 이를 응용하여 항생제 내성이 있는 박테리아와 내성이 없는 박테리아를 구분하는 탐지 방법을 개발하였다.
연구팀은 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 시간이 짧고 중합효소 연쇄 반응(PCR 검사)과 비교할 때도 전처리 과정이 필요 없는 간편한 기술이라는 점이 큰 장점이다.
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. 즉 항생제 내성을 가지는지에 따라 소모하는 산소의 양이 달라지고, 이 차이 때문에 도파민의 중합반응 여부를 육안과 광학적 측정으로 확인할 수 있다.
감염병 확산 예방에도 기여할까?
이번 연구 결과를 향후 생체 내에서 도파민 등 카테콜아민의 역할과 작용을 다양한 생체 모델에서 밝히는 연구로 발전시킨다면 매우 흥미로운 연구 결과를 얻을 수 있다.
박테리아 생장 및 항생제 내성의 실시간 검출에 적용할 수 있어 기존의 미생물 배양법보다 신속하게, 그리고 PCR 검사보다 간편하게 진단이 가능해 감염병 확산 예방에 크게 기여할 것으로 기대를 모은다.
한편 이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업 및 KAIST 그랜드 챌린지 사업의 지원을 통해 이뤄졌다.
KAIST 나노과학기술대학원 석박사통합과정 이주훈 학생이 제1 저자로, 나노과학기술대학원 석박사통합과정 류제성 학생과 생명과학과 강유경 박사가 공동 저자로 참여했다. 이번 연구 결과는 재료과학 분야 국제학술지 `어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials, IF 16.836)'에 11월 3일 字 온라인 게재됐다. (논문명 : Polydopamine Sensors of Bacterial Hypoxia via Fluorescence Coupling)