KAIST 생명과학과동창회
  • News & Events
  • News

News

도파민의 성질로 박테리아 생장의 실시간 탐지 기술 개발​



(왼쪽부터) 생명과학과 정현정 교수, 화학과 이해신 교수, 나노기술대학원 이주훈 박사과정

< (왼쪽부터) 생명과학과 정현정 교수, 화학과 이해신 교수, 나노기술대학원 이주훈 박사과정 >



우리 몸의 신경전달물질인 도파민의 성질을 이용해 박테리아(병원균)를 쉽게 검출할 수 있는 기술이 우리 대학 연구진에 의해 개발됐다.


생명과학과 정현정 교수, 화학과 이해신 교수 공동연구팀이 도파민의 반응을 이용해 병원균의 생장과 항생제 내성을 광학적으로 측정하고 맨눈으로 실시간 검출하는 기술을 개발했다고 7일 밝혔다.


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.


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 이러한 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.

우리 대학 나노과학기술대학원 석박사통합과정 이주훈 학생이 제1 저자로, 나노과학기술대학원 석박사통합과정 류제성 학생과 생명과학과 강유경 박사가 공동 저자로 참여한 이번 연구 결과는 재료과학 분야 국제학술지 `어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials, IF 16.836)'113온라인 게재됐다. (논문명 : Polydopamine Sensors of Bacterial Hypoxia via Fluorescence Coupling)


도파민의 자체 중합반응에서는 개시제 역할을 하는 산소가 필수적인 존재다. 연구팀은 박테리아가 생장함에 따라 용액 내의 산소를 소모하는 현상을 이용, 박테리아의 생장 정도를 도파민의 중합반응과 연관 지어 관측하는 방법을 개발했다.


또 박테리아의 생장에 영향을 끼치지 않는 소재인 덱스트란으로 형광나노입자를 제조해 실험에 사용했다. 도파민의 자체 중합반응은 용액 내에 존재하는 형광나노입자 표면에 흡착하고 층을 형성해 입자의 화학적, 물리적 성질에 큰 변화를 일으키고 기존에 발생하던 강한 형광 신호를 약하게 만든다. 또한, 도파민과 나노입자가 첨가된 용액 내에서는 도파민의 산화와 자체 중합반응 때문에 용액의 색이 짙은 갈색으로 변한다.


하지만 박테리아가 용액 내에 존재하는 경우 박테리아 생장 때문에 산소가 소모돼 도파민의 자체 중합반응은 저해되고 용액의 색깔은 투명하게 유지된다. 나노입자의 형광 신호 역시 원래의 신호를 유지하게 된다.


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.


이렇게 살아있는 세포의 활성에 따라 일어나는 도파민의 자체 중합반응은 실제로 인체에 존재하는 다양한 `카테콜아민' 물질에서 나타나는 반응과 깊은 관련이 있다. 일례로 피부에 존재하는 카테콜아민은 자체 중합반응이 왕성하게 일어나 피부의 색에 큰 영향을 주는 멜라닌 색소를 형성하게 되는데 신경계에 존재하는 카테콜아민은 자체 중합반응이 거의 일어나지 않고 단일분자 형태로 존재하여 작용하는 것으로 알려져 있다. 연구팀은 이번 연구 결과를 향후 생체 내에서 도파민 등 카테콜아민의 역할과 작용을 다양한 생체 모델에서 밝히는 연구로 발전시킨다면 매우 흥미로운 연구 결과를 얻을 것으로 기대하고 있다.


그림 1. 도파민의 중합반응 과정과 박테리아의 생장, 용존 산소량, 형광나노입자 신호 그래프

< 그림 1. 도파민의 중합반응 과정과 박테리아의 생장, 용존 산소량, 형광나노입자 신호 그래프 >

그림 2. 도파민 센서를 이용한 박테리아의 항생제 내성 검출 원리 설명 모식도

< 그림 2. 도파민 센서를 이용한 박테리아의 항생제 내성 검출 원리 설명 모식도 >



정현정 교수는 이번 연구는 도파민의 자체 중합반응을 생체 시스템에서 규명한 연구로 큰 의미를 가지며, 이를 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 기대된다고 말했다.


한편 이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업 및 KAIST 그랜드 챌린지 사업의 지원을 통해 이뤄졌다.

https://news.kaist.ac.kr/news/html/news/?mode=V&mng_no=11351

https://www.etnews.com/20201207000250



List of Articles
번호 제목 글쓴이 날짜 조회 수
390 [손종우 교수님] 서울의대동창회, 제25회 함춘학술상 수상자 선정 생명과학과 2022.03.08 445
389 [전상용 교수님] 항암치료용 인공탄수화물 기반 나노의약 개발​ 생명과학과 2022.07.12 451
388 [김대수 교수님] 액트노바, 카카오벤처스로부터 5억 규모 시드 투자 유치 "육안으로 진행되던 임상·비임상 분야 행동 실험 과정, 인공지능 영상처리 기술로 자동화" 생명과학과 2022.08.10 465
387 [한진희 교수님] 카이스트, 뉴런(신경 세포) 교체에 의한 기억저장 규명 생명과학과 2021.11.24 468
386 [조병관 교수님] 대량의 고농도 일산화탄소를 고부가가치 바이오케미칼로 전환하는 기술 개발 생명과학과 2022.07.15 471
385 이승희 교수님_시각 정보 인식해 행동 결정하는 대뇌 신경회로 과정 밝혀 생명과학과 2021.08.30 480
384 [김진우 교수님, 민광욱 박사님] 왼쪽 눈이 본 것을 오른쪽 뇌가 알게 하라​ 생명과학과 2023.03.02 489
383 [김세윤, 양한슬 교수님] 장 조직의 항상성과 염증성 장염 회복의 핵심 효소 발견​ 생명과학과 2022.10.07 493
382 [한용만, 허원도 교수님] 광유전학적으로 인슐린 분비 조절성공…인간 전분화능 줄기세포 유래 췌도 오가노이드 개발 생명과학과 2023.03.24 494
381 [이주형 학부생] 포스텍SF 어워드에서 생명과학과 학부생 이주형, 단편 부문 가작 선정 생명과학과 2022.02.10 497
380 [김상규 교수님] 단일세포 RNA 시퀀싱을 통한 꽃향기 합성 유전자 발굴​ 생명과학과 2022.02.15 497
379 [허원도 교수님] 빛으로 뇌 기능, 행동, 감정을 자유롭게 조절한다​ 생명과학과 2021.12.03 507
378 [강창원, 서연수 교수님] RNA 합성의 세 갈래 끝내기 제시​ 생명과학과 2022.03.31 507
377 [서연수 교수님] ㈜엔지노믹스, 생명과학과에 발전기금 24억 기부​ 생명과학과 2022.10.14 510
376 [김대수 교수님] “뇌는 무언가 실패하는 순간 발달...‘메타인지’로 창의성 키워야” [이노베이트코리아 2022] 생명과학과 2022.07.18 516
375 [김세윤, 정원석, 손종우 교수님] 인공지능 기반 약물 가상 스크리닝 기술로 신규 항암 치료제 발굴 성공 생명과학과 2022.08.12 518
374 [허원도, 윤기준 교수님] 제51주년 개교기념식 개교기념 우수교원 포상 및 특별포상에서 학술상, 우수강의상 수상 생명과학과 2022.02.16 525
373 [최길주, 김상규 교수님] 카오스재단 2022 봄 카오스강연 ‘식물행성 (Plant Planet)’ 에서 강연(4/6) 생명과학과 2022.02.22 533
372 [김보람 박사님(서성배 교수님 연구실)] 2022년 국가연구개발 우수성과 100선 선정 file 생명과학과 2022.11.09 540
371 [이승재 교수님 연구실] 과기정통부, ‘2022년도 건강한 연구실’ 10개 선정 생명과학과 2022.12.12 546
Board Pagination Prev 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 ... 22 Next
/ 22