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탄저균만큼 위험한 야토균, 조기 검출 기술 개발...한양대학교 최종훈 교수팀
생명과학 한국연구재단 (2015-07-03)

국내 연구진이 탄저균만큼 위험한 감염병 병원체인 야토균(Francisella tularensis)을 기존 검출 가능 최저농도의 10분의 1에서 검출하는 데 성공했다. 야토균은 10마리만으로도 사망에 이를 수 있지만 기존 방법으로는 이같이 낮은 농도에서는 검출이 불가능했다.

이번 연구는 낮은 농도에서도 야토균을 조기 검출할 수 있는 기술을 개발함으로써 생물테러 등에 활용될 경우 막대한 인명피해와 사회적 혼란을 막는 데 크게 기여할 것으로 보인다.

한양대학교 ERICA캠퍼스 최종훈 교수가 주도한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단의 신진연구자 지원 사업과 질병관리본부 정책용역연구사업, 보건복지부 보건의료기술개발 사업으로 수행되었으며, 저널 오브 해저더스 머티리얼즈(Journal of Hazardous Materials) 6월 5일자 온라인판에 게재되었다.
   ※ 논문명 : A Novel Nanoprobe for the Sensitive Detection of Franscisella tularensis

야토균은 냉전 시기인 1960년대 미국이 생물무기로 개발했을 정도로 감염력 및 치사율이 높다. 미국 질병관리본부에서는 제1위험성 진균 및 독소로 지정되어 있으며 국내에서도 페스트, 탄저균, 보툴리눔, 콜레라균 등과 함께 보건복지부 질병관리본부에서 고위험 감염병병원체로 지정되어 있다. 
  
야토균을 검출하기 위한 기존의 대표적인 방법으로는 효소면역측정법(Enzyme Linked ImmunoSorbent Assay, ELISA)이 있다. 이는 타깃 병원체에 항체를 결합시켜 고정한 후 다시 형광물질로 염색된 2차 항체를 부착해 이들의 밝기를 측정하여 균의 존재를 확인하는 방법이다. 그러나 이 기술은 병원체의 농도가 낮으면 검출이 수월하지 않은 한계가 있었다.

연구팀은 유전자재조합방식을 통해 기능성을 부여한 아포페리틴(apoferritin) 나노입자를 활용해 새로운 검출법을 개발했다. 아포페리틴 나노입자는 대장균(E.coli)을 통해 분비된 아포페리틴 단백질 24개가 스스로 조립되어 만들어진 공 형태의 나노 구조체다. 연구진은 이 나노 구조체가 여러 개의 항체와 형광물질을 동시에 운반해 야토균에 부착시키는 운반체로 사용했으며, 균에 부착되는 정도를 측정하여 균의 존재를 식별하였다. 

이 기술로 병원체에 결합하는 항체와 형광물질의 개수를 기존 대비 증가 시켜, 타깃 야토균을 10배 이상 적은 양에서도 정확히 검출할 수 있게되었다. 또한 동 기술을 적용하여 2종 이상의 고위험성 병원균(야토균, 탄저균)이 섞여 있는 시료에서도 각각의 병원균을 정확하게 검출할 수 있음을 증명 하였다. 

최종훈 교수는 “나노기술을 활용하여 국제적으로 생물테러에 활용될 수 있는 대표적인 고위험성 병원균들을 현 기술에서 검출하기 어려운 낮은 농도에서도 존재 여부를 판별할 수 있게 되었다”면서 “앞으로 보건 및 국방의 분야에 필수기반기술로 적용할 수 있을 것”이라고 밝혔다.


연 구 결 과  개 요

 1. 연구배경
 ○ 생물테러 가능 고위험병원체는 막대한 인명피해와 사회적 혼란을 야기할 수 있기 때문에 생물테러 가능 고위험병원체의 진단/담지는 테러 상황 유무의 판단과 수반되는 대응정책의 결정에 있어서 매우 중요한 기술이다. 따라서 이에 대한 신속도 및 민감도의 증대의 필요성이 대두되고 있으나 기존 기술은 민감도 부분에서의 한계가 존재해왔다. 본 연구는 생물테러 의심검체에 대한 위험여부 또는 그 정도를 현장에서 판단하여 신속하게 대응하기 위하여 검출기술의 감도 및 신속성을 향상시킨 새로운 나노소재를 개발함으로써 기존 기술의 한계를 극복하는데 중요한 기술적 토대를 마련하였다.

2. 연구내용
○  본 연구에서는 유전자재조합 방식을 이용하여 자가조립형 단백질 나노구조체에 선택적인 항체와 검출에 필요한 형광염료가 동시에 부착할 수 있도록 제작하였다.
○ 유전자 재조합 기술과 대장균을 이용한 단백질 발현시스템을 통해 직경 10-15 nm의 균일한 크기를 가지는 아포페리틴 (Apoferritin, AFTN)을 제조할 수 있는데, 이 나노물질은 24개의 서브유닛으로 구성되어 있고, 각각은 6X His tag와 protein G를 발현시킬 수 있게 유전적으로 재조합되어 있다.
○  6X His tag는 Ni-NTA를 가진 형광물질과 결합할 수 있으며, protein G는 병원체에 특이적 항체들의 Fc 부분에 결합할 수 있기 때문에 아포페리틴 나노구조체에 2가지 기능성을 갖도록 해준다.
○  이러한 기능성 나노구조체를 검출 프로브로, 병원체 특이적인 2차 항체가 고정화된 자성입자를 지지체로 각각 사용하여 야토균을 검출했다.
○ 본 연구의 자가조립형 단백질 나노구조체는 고위험성 병원체 야토균을 선택적으로 검출할 수 있으며 기존 검출 방식인 효소면역측정 방법에 비해 10배 이상의 높은 민감도를 보유하고 있다. 
○ 본 연구팀은 개발한 자가조립형 단백질 나노구조체를 이용하여 2종 이상(야토균, 탄저균)의 고위험성 병원균이 섞여 있는 시료에서 각각의 병원균을 검출감도의 손실 없이 각각 센싱하는데 성공하였다.

3. 기대효과
○ 본 기술을 통해 국제적으로 바이오테러에서 활용될 수 있는 대표적인 고위험성 병원균들에 대한 민감도와 특이도가 높은 생물테러 병원체 키트 개발에 도움을 줄 수 있으며 이를 통해 막대한 인명피해와 사회적 혼란을 야기할 수 있응 고위험병원체를 현장에서 조기에 검출하여 테러 상황 유무의 판단과 수반되는 대응정책의 결정에 도움을 줄 것으로 기대된다.


연 구 결 과 문 답

이번 성과 뭐가 다른가

기존 기술의 한계(낮은 검출감도)를 극복한 새로운 형태의 자가조립형 단백질 나노구조체 개발

어디에 쓸 수 있나

생물테러가 의심되는 곳에서 생물테러 병원체의 신속한 진단을 필요하는 보건 및 국방 분야에서 활용이 가능.

실용화까지 필요한 시간은

약 5년 정도

실용화를 위한 과제는

다른 고위험병원체들에 대한 검출기술도 연구되어야 하며 현장에서 신속하게 탐지 할 수 있도록 생물테러 대상 고위험병원체 탐지키트 개발에 대한 연구가 요구되어짐.

연구를 시작한 계기는

생화학무기에 대한 빠른 대응방법과 피해를 최소화 하기 위한 방법을 모색하면서 관련 연구를 시작하게 되었으며, 해당 기술의 핵심인 나노 기술은 본 연구실의 주된 연구 내용에 해당함.

꼭 이루고 싶은 목표는

이번에 검출한 야토균을 제외하고 다른 고위험병원체에 대한 검출기술도 개발되어야 하며 현장에서 바로 진단할 수 있는 탐지키트 개발이 주된 목표.

신진연구자를 위한 한마디

당시 유행하는 연구 트랜드를 쫓지 않고, 다른 사람들이 하지 않는 분야에 관심을 가지고 끈기 있게 도전하는 정신을 가졌으면 좋겠습니다.

자가조립형 단백질 나노구조체와 마그네틱비드(자성을 띄는 입자)를 이용하여 야토균을 검출하는 전체적인 모식도
그림1. 자가조립형 단백질 나노구조체와 마그네틱비드(자성을 띄는 입자)를 이용하여 야토균을 검출하는 전체적인 모식도
유전자 재조합 방식을 통해 항체와 형광염료가 동시에 결합할 수 있는 자가조립형 단백질 나노구조체를 제작하고 야토균에 특이적인 항체와 형광염료를 부착시킨다. 동시에 마그네틱비드에도 야토균에 특이적인 2차 항체를 부착시켜 준비한다. 야토균에 특이적인 항체가 결합된 마그네틱비드와 나노구조체를 야토균이 들어있는 시료에 넣고 반응시키면 야토균이 샌드위치모양으로 항체에 결합된다 (나노구조체-야토균-마그네틱비드). 나노구조체와 야토균이 결합된 마그네틱비드를 자석을 이용하여 한 쪽으로 이동시켜 반응에 참여하지 않은 시약과 항체들을 걸러 준다. 걸러진 나노구조체-야토균-마그네틱비드는 형광분석기를 통해 분석하며 야토균에 결합된 나노구조체의 형광염료들의 형광값을 분석하여 야토균을 검출하게 된다.

제작된 자가조립형 단백질 나노구조체
그림2. 제작된 자가조립형 단백질 나노구조체
자가조립형 단백질 나노구조체의 사진(왼쪽)과 사이즈 분석 테이터(오른쪽), 형광염료가 결합된 나노구조체의 사진(가운데)을 나타낸다. 유전자 재조합 방식을 통해 제작된 자가조립형 단백질 나노구조체는 약 15.01 나노미터로 측정되었으며 전자현미경을 통해 자가조립형 단백질 나노구조체와 형광염료가 결합된 나노구조체의 모습이 잘 나타나 있다. 


 

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