이민재 군산대 교수팀, 액정 기반 초고속 박테리아 감지 시스템 개발

[아이뉴스24 박종수 기자] 국립군산대학교(엄기욱 총장 직무대리)는 19일 이차전지에너지학부 이민재 교수 연구팀이 POSTECH(화학공학과 김영기 교수, 최예나 통합과정), 서울대학교(화학과 손창윤 교수, 이상민 통합과정)와의 공동 연구를 통해 생체분자의 움직임을 거시적 광학 신호로 변환하는 ‘고감도 액정 기반 광학 변환 시스템’을 개발했다고 밝혔다.

이번 연구 결과는 과학 분야 세계적 권위의 국제 학술지인 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’에 최근 게재되며 그 학술적·실용적 가치를 높이 인정받았다.

세포막 동역학이나 면역 반응 등 계면에서 발생하는 생체분자 현상을 규명하는 것은 생물학적 기초 지식의 확장은 물론, 바이오센서 및 질병 진단 기술 개발을 위해 필수적이다.

그러나 기존 기술로는 복잡한 생체분자 간의 상호작용을 즉각적이고 정확하게 해독하는 데 한계가 있어 과학계의 오랜 난제로 꼽혀왔다.

공동 연구팀은 생물학적 조직 내에서 구조는 유사하나 기능이 다른 두 아미노산(글루탐산, 아스파트산)이 수용액과 액정(Liquid Crystal) 계면에서 자발적으로 흡착 및 탈착을 반복하며 액정 분자의 배향 변화를 유도한다는 사실을 최초로 규명했다.

실험 결과와 밀도범함수이론(DFT) 시뮬레이션을 결합한 결과, 이러한 흡·탈착 동역학이 수용액의 pH 조건에 의해 지배된다는 점을 입증했다.

더 나아가 연구팀은 이들 아미노산이 살모넬라, 대장균, 포도상구균 등의 박테리아 부산물과 정전기적 상호작용을 통해 결합할 때, 계면 흡착이 촉진되고 안정화되는 현상을 확

인했다.

또한 이를 바탕으로 주변 생체분자의 유무와 특성에 따른 계면 동역학의 변화를 시각적인 광학 신호로 즉각 변환하는 시스템을 구현해 냈다.

특히 이번에 개발된 액정 기반 인식 시스템은 감염 유발 용량의 10% 수준인 극미량(10² cfu/ml)의 살모넬라균을 1분 이내에 자율적으로 인식하고 시각적 신호로 보고하는 압도적인 민감도와 반응 속도를 자랑한다.

이는 결과를 얻기까지 최소 6시간 이상이 소요되는 기존의 표준 검사법(PCR, ELISA 등)을 획기적으로 뛰어넘는 성과로, 향후 신속하고 정확한 검사가 필수적인 식품 안전 검사 및 수질 모니터링 현장 등에서 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

이번 연구를 주도한 POSTECH 김영기 교수는 “생체분자 간의 복잡한 계면 상호작용을 즉각적인 거시적 광학 신호로 변환·증폭시키는 액정 기반 시스템 설계 원리를 제시했기 때문에, 차세대 바이오 센서 분야에 폭넓게 적용될 수 있을 것”이라고 연구의 의의를 밝혔다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부의 한우물파기 기초연구, 미래융합파이오니어 사업, 글로벌 기초연구실지원사업의 지원을 받아 수행됐다.