이택 교수(화학공학과) 연구팀, 한강 현장에서 바로 사용 가능한 유해남조류 모니터링 시스템 (전처리 키트, 센서) 개발

- 강, 호수유역 현장에서 바로 사용 가능한 유해남조류 검출용 전기화학적 CRISPR 바이오센서 개발 -

- 개발된 유전자 가위 기반 검출 플랫폼은 다른 환경 DNA에 잠재적 활용 가능성 제시 -

- 국제 저명 학술지 Biosensors and Bioelectronics (IF: 12.5, JCR: 4.1%) 게재 -

본교 이택 교수 연구팀(화학공학과)이 현장에서 즉시 사용 가능한 유해 남조류 중 가장 널리 퍼져있는 Microcystis aeruginosa(M. aeruginosa) 검출을 위한 산화그래핀 기반 전처리 필터 및 전기화학적 clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR) 바이오 센싱 플랫폼(김가현 1저자)을 개발했다.

남조류 번성은 최근 호수와 강에 심각하게 해로운 영향을 미치는 것으로 나타났다. 일반적으로 남조류 및 유해 조류의 과도한 성장은 수역 오염물질, 지구 온난화, 하천 종 근처의 대규모 건설 지역에 의해 발생하는데, 이러한 유해 남조류 번성이 발생하면 적절한 인간 개입 없이는 개체수를 통제하기가 어려운 실정이다. 이 유해 남조류 중에서 M. aeruginosa은 가장 독성이 있고 널리 퍼져 있는 종이다. 주로 봄부터 여름까지 담수 생태계에서 관찰된다. M. aeruginosa의 번성은 수자원을 오염시키는 간독소인 마이크로시스틴(microcystin)을 합성하기 때문에 우려를 불러일으킨다.

현재, 인체 독성을 띤 M. aeruginosa의 일반적인 검출 방식은 광학 이미지 현미경과 PCR 등이 있다. 하지만 광학 이미지 현미경은 육안으로 모양과 형태를 판단하기 때문에 오류가 발생할 수 있다. PCR은 높은 정확도를 가지고 있지만 증폭 장치가 필요하고, 시간이 오래 걸리며, 수집한 남조류 샘플을 강이나 호수에서 실험실로 보내는 과정에서 돌연변이로 인한 남조류 개체수가 증가할 수 있기 때문에 현장에서 바로 적용하기에는 부정확 하다는 단점이 있다.

이에 이택 교수 연구팀은 인체 독성을 띤 M. aeruginosa을 현장에서 신속하고 정확하게 검출할 수 있는 클러스터링된 규칙적인 간격의 짧은 회문 반복 (CRISPR) 시스템을 활용한 전기화학적 바이오센서를 제작했다. 먼저 용해된 담수샘플을 여과하여 M. aeruginosa를 현장에서 즉시 얻을 수 있는 시료 전처리 장치를 개발했다. 이를 통해 500mL의 강물 시료로부터 불순물 제거, 표적 농도, 핵산 추출을 30분 이내에 수행할 수 있다. 또한 바이오센서 기술인 CRISPR와 MXene나노복합체를 적용하여 전기화학적 신호를 증폭하였으며 민감도를 향상시켰다. 박테리아 면역 체계에서 파생된 CRISPR은 침입하는 박테리오파지에서 특정 유전자 서열을 식별하고 절단할 수 있는 유망한 고감도 유전자 편집 도구이다. 도입된 시스템은 CRISPR RNA (crRNA)와 Cpf1 단백질 로 구성되며, crRNA에 의한 Cpf1의 활성화는 표적 DNA 의 인식 및 분해 (cis-cleavage)로 이어진다. 또한 Cpf1이 표적 DNA의 3-뉴클레오티드 프로토스페이서 근위 모티프를 식별하고 절단할 때 주변 단일 가닥 DNA가 무작위로 분해되는 특성을 본 연구에 이용했다. 개발된 바이오센서를 통해 담수에서 M. aeruginosa의 검출한계는0.089 pg/μl로 확인되었다. 이는, 담수 시료에서 바이오센서를 활용하여 유해 남조류를 검출한 첫 번째 연구이며, 실제 담수에서 설계한 바이오센서가 표적 남조류를 검출해낼 수 있었다는 점에서 우수한 센서로 적용될 수 있음을 시사한다. 따라서, 본 연구는 유해 남조류 검출에 있어 EC-CRISPR 기반의 바이오센서가 이들을 검출하고 모니터링함에 있어 뛰어난 새로운 플랫폼이 될 수 있을 가능성을 제시하였다.

본 연구는 한국 환경부(MOE)의 수생태계 건강 관리 프로그램을 통한 한국환경산업기술원 (2020003030001)의 지원과 산업통상자원부 산업핵심기술개발사업(20009121) 및 한국연구재단 (2021R1C1C1005583)으로 수행되어 연구 결과는 바이오센서 분야 최고 학술지인 Biosensors and Bioelectronics (IF: 12.5, JCR: 4.1%)에 ‘Fabrication of graphene oxide-based pretreatment filter and Electrochemical-CRISPR biosensor for the field-ready cyanobacteria monitoring system’ 라는 제목으로 게재되었다.

(참조: https://doi.org/10.1016/j.bios.2023.115474)