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김유연
김유연(Yuyeon Kim) 저자 이메일 보기
서강대학교
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Active Surface Hydrophobicity Switching and Dynamic Interfacial Trapping of Microbial Cells by Metal Nanoparticles for Preconcentration and In-Plane Optical Detection

1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드

최근 의약학, 생물공학, 환경공학 등 다양한 분야에서 미생물 표면의 소수성을 개질하여 계면에서의 미생물 거동을 제어하는 기술이 관심을 받고 있습니다. 예를 들어 미생물의 소수성을 바꾸어 계면에 달라붙는 부착(adhesion) 과정을 제어하여 미생물 군집인 생물막(biofilm) 형성을 조절하는 연구가 진행되었습니다. 주로 미생물의 유전자 변형 혹은 배양 조건 변화를 통해 미생물의 소수성을 조절하곤 했습니다. 그러나 이러한 방법들은 일부 균종에만 적용될 수 있다는 한계점이 존재합니다.

저희는 본 연구에서 금속 나노 입자를 미생물 표면에 고밀도로 부착시켜, 다양한 미생물 종 표면의 소수성을 나노 입자의 소수성으로 전환하는 기술을 제안했습니다. 미생물과 나노 입자 간 정전기적 인력과 나노 입자의 확산 속도를 제어하여, 나노 입자를 미생물 표면에 고밀도로 집적시켰습니다. 이 때, 나노 입자의 성질에 따라 미생물의 표면 성질이 소수성이나 친수성으로 바뀔 수 있음을 확인하였습니다.

또한 나노 입자의 집적을 통해 친수성 미생물의 표면을 소수성으로 바꾸면, 미생물을 계면 안정성이 증가하게 됩니다. 이를 기반으로 나노 입자가 집적되어 소수성이 증가한 미생물은 그렇지 않은 미생물과는 다르게 물/공기 계면에 비가역적으로 포집되고, 이를 실시간 암시야 현미경(dark-field microscope)으로 확인하였습니다. 이 기술은 각기 다른 표면 성질을 갖는 그람 양성(gram-positive)균, 그람 음성(gram-negative)균, 효모(yeast) 등 다양한 미생물에 적용될 수 있습니다. 또한 양전하를 갖는 금속 나노 입자라면 입자의 크기나 모양이나 크기에 구애받지 않음을 확인하였습니다.

최종적으로 본 기술을 스마트폰을 사용한 수용액 내 미생물 정량분석과 표면 증강 라만분광법(SERS) 기반 미생물 검출에 응용하였습니다. 용액 내에 존재하는 미생물의 양이 늘어날수록 계면에 포집된 미생물의 양이 늘어나게 됩니다. 이를 활용하여, 계면에 존재하는 미생물의 면적을 스마트폰으로 분석해 용액 내 존재하는 미생물의 양을 ml당 1000마리까지 검출하였습니다. 또한, 미생물 표면에 과량 집적된 금 나노입자로 인하여 미생물의 라만 신호가 증폭되는 것을 확인하였습니다. 이를 기반으로 총 세 종류의 서로 다른 미생물을 식별하는 데 성공하였습니다. 본 연구에서 개발된 기술은 향후 나노입자를 통해 미생물의 성질을 변환하는 데 사용되거나 미생물의 환경 모니터링 기술에 응용될 수 있을 것이라 생각됩니다.

2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁 드립니다.

본 연구는 서강대학교 화공생명공학과 나노플라즈모닉스 연구실에서 진행되었습니다. 강태욱 교수님의 지도아래 바이오의학 분야 적용을 위한 생체물질, 미생물 대사산물과 같은 고부가가치 소분자 및 각종 환경 유해물질 등의 실시간 초고감도 모니터링을 위한 표면증강라만산란(SERS) 분석용 복합 플라즈모닉 나노구조체 제작 및 이를 위한 공정기술 개발에 대해 연구하고 있습니다. 현재 강태욱 교수님을 비롯하여 2명의 박사과정생과 5명의 석사과정, 그리고 1명의 학부연구생으로 구성되어 있습니다. 교수님께서 학생들에 대한 많은 관심을 바탕으로 지도해주시고, 학생들 사이에서도 자유롭게 토론하는 분위기가 형성되어 있기 때문에 꾸준히 좋은 연구성과를 내고 있습니다. 무엇보다 선후배를 막론하고 모든 연구실 구성원들이 서로 친밀한 사이를 유지하는 것이 저희 연구실의 가장 큰 장점이라고 생각합니다.

3. 연구활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람

이 논문은 제가 학부연구생 시절부터 진행한 연구 주제를 정리한 내용입니다. 처음 쓰는 논문임에도 불구하고, 이렇게 좋은 논문에 게재될 수 있었던 것은 강태욱 교수님의 열정적인 지도가 뒷받침되었기 때문입니다. 교수님의 지도아래 학부연구생 때 발견한 작은 실험 결과로 시작하여 하나의 완성된 논문으로 끝맺을 수 있었습니다. 또한 공동 1저자인 같은 연구실 광영오빠, 지한오빠와의 협업과 많은 토의가 있기에 더 좋은 연구 성과를 낼 수 있었습니다. 그리고 시뮬레이션을 통해 연구의 이론적 부분을 채워주신 서강대학교 김동철 교수님 연구실, 저희 연구실에선 다소 생소한 미생물 분야의 연구를 진행하는데 많은 도음을 주신 서강대학교 이진원 교수님 연구실, 연구에 관해 미처 생각치 못한 부분에 대해 다양한 의견을 얻게 해주신 서강대학교 나정걸 교수님, 서울시립대학교 최인희 교수님, UC Berkeley의 Luke P. Lee 교수님 등 많은 공동저자와의 협력이 있었기에 논문의 완성도를 올릴 수 있었다고 생각합니다.

4. 이 분야로 진학하려는 후배들 또는 유학준비생들에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면?

실험을 진행하면서 계속되는 실패에 좌절하다 보면, 내가 답도 없고 끝도 없는 연구를 하고 있는 것이 아닌가 하는 생각에 빠지는 시간이 오게 됩니다. 저 또한 제가 밤낮없이 실험에 투자한 노력만큼 성과가 나오지 않는다고 생각할 때 그런 생각을 자주 하곤 했습니다. 이 때 연구실에서 배운 두 가지 자세가 큰 도움이 되었습니다. 하나는 모든 실험은 실패가 디폴트(default)값이며 이를 해석해 나가는 데에 의미가 있다는 것. 두 번째는 모든 노력이 성공적인 결과를 내진 않지만, 모든 성공적인 결과의 뒤에는 노력이 있다는 것입니다. 처음에 갖고 있었던 열정을 잃지 않고 끝까지 해낸다면 분명 좋은 결과를 얻을 수 있을 것입니다.

5. 연구활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?

현재 다양한 환경에서의 미생물 검출 분야에 이 연구를 응용하기 위한 후속 연구를 진행하고 있습니다. 실제 field에 적용시킬 수 있는 미생물 검출 방법으로 이 연구를 발전시키기 위해 노력할 예정입니다.

6. 다른 하시고 싶은 이야기들....

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항상 다시 한번 연구에 대해 스스로 생각하게 지도해 주시고, 끊임없는 조언과 지원해주신 강태욱 교수님 진심으로 감사드립니다. 그리고 매일같이 실험 결과에 대해 같이 토의해주었던 NRG 식구들에게 감사드립니다. NRG에 들어와서 교수님과 연구실 식구들을 만난 것이 제 인생 가장 큰 행운이었다고 생각합니다. 마지막으로 타지에서 큰 버팀목이 되어준 미영언니, 제주도에서 항상 응원 보내주는 엄마, 아빠, 이연이, 유승이 우리 가족 모두에게 감사드립니다.

 

 등록일 2019-09-27
Category: Nanobio
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