November 22,2019

삼키는 ‘박테리아 전자칩’으로 질병 진단

위장 출혈에서 소화관 질병까지 확장 가능

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위장 출혈을 비롯한 여러 위장병을 진단할 수 있는 삼키는 ‘박테리아 전자칩’이 미국 매서추세츠공대(MIT) 연구진에 의해 개발됐다.

이 칩은 유전공학적으로 처리한 살아있는 박테리아를 장착하고, 박테리아의 반응을 스마트폰에서 읽을 수 있는 무선신호로 변환하는 초전력 전자장치를 갖추고 있다.

티모시 루(Timothy Lu) MIT 전기공학ᆞ컴퓨터과학ᆞ생물공학과 부교수는 “가공한 생물학적 센서와 저전력 무선 전자장치를 결합해 신체의 생물학적 신호를 거의 실시간으로 탐지함으로써 인체 건강을 위한 새로운 진단기능을 구현할 수 있다”고 밝혔다.

이 연구는 과학저널 ‘사이언스’(Science) 24일자 온라인판에 발표됐다(관련 동영상)

연구진은 헤모글로빈의 색소성분인 환원 헤마틴(heme)에 반응하는 센서를 만든 뒤 이 센서가 돼지에게서 잘 작동하는 것을 확인했다. 이와 함께 센서가 염증 표지자 분자에도 잘 반응할 수 있도록 설계했다.

루 교수와 아난타 찬드라카산(Anantha Chandrakasan) 공대 학장(전기공학 및 컴퓨터과학)은 이번 연구에 시니어 저자로, 대학원생인 마크 마이미(Mark Mimee) 연구원과 전 박사후 과정 연구원인 필립 내도우(Phillip Nadeau) 박사가 제1저자로 참여했다.

MIT 공학자들은 환경조건을 감지해 이를 전자회로에 전달하도록 프로그래밍된 박테리아 탑재 삼키는 센서를 개발했다.  CREDIT: Lillie Paquette, MIT

MIT 공학자들은 환경조건을 감지해 이를 전자회로에 전달하도록 프로그래밍된 박테리아 탑재 삼키는 센서를 개발했다. CREDIT: Lillie Paquette, MIT

박테리아 센서에 무선통신 접목

지난 10년 동안 합성생물학자들은 환경오염물질이나 질병 표지자 같은 자극 물질에 반응하는 박테리아를 가공하는데 큰 진전을 이뤘다. 이들 박테리아는 표적 자극을 탐지했을 때 빛과 같은 산출물을 만들어내도록 설계될 수 있으나 이 반응을 측정하기 위해서는 전문화된 실험 장비가 필요하다.

MIT 연구팀은 이들 박테리아를 실제 임상에 응용할 때 유용성을 높이기 위해 박테리아 반응을 무선신호로 변환할 수 있는 전자칩을 결합하자는 아이디어를 냈다.

내도우 박사는 “우리 아이디어는 박테리아를 장치 안에 넣는 것이었다”며, “그렇게 되면 박테리아 세포도 장치가 위장을 통과할 때 그 장치 안에 갇혀서 함께 따라 들어갈 수 있다”고 말했다.

연구팀은 첫 번째 시연에서 위장관 출혈을 확인해 내는데 초점을 맞췄다. 이를 위해 대장균(E.coli) 프로바이오틱 균주를 유전적으로 조작해 박테리아가 피 구성성분인 heme와 맞닥뜨리면 빛을 발산하게 했다.

특정 분자를 검출하도록 가공된 박테리아가 맞춤 설계된 센서에 있는 네 개의 ‘웅덩이’에 놓여있다. 이 센서는 탐지 신호를 무선으로 변환하는 마이크로프로세서에 부착돼 있다.  CREDIT: Melanie Gonick, MIT

특정 분자를 검출하도록 가공된 박테리아가 맞춤 설계된 센서에 있는 네 개의 ‘웅덩이’에 놓여있다. 이 센서는 탐지 신호를 무선으로 변환하는 마이크로프로세서에 부착돼 있다. CREDIT: Melanie Gonick, MIT

산성 위액 이용한 구동도 가능

연구팀은 박테리아를 맞춤 설계된 센서의 작은 우물 같은 네 개의 웅덩이에 넣었다. 그리고 이 웅덩이를 반투막으로 덮어 주위의 작은 분자들이 통과할 수 있도록 했다. 웅덩이 밑에는 박테리아 세포들이 생성하는 빛의 양을 측정할 수 있는 광트랜지스터를 설치해 이 정보가 마이크로프로세서로 전달된 다음 무선신호로 변환돼 가까이 있는 컴퓨터나 스마트폰으로 전송되도록 했다. 연구팀은 데이터 분석에 사용할 수 있는 안드로이드 스마트폰용 앱도 만들었다.

3.8㎝(1.5인치) 길이의 이 실린더 센서에는 약 13마이크로와트의 전력이 든다. 연구팀은 센서에 2.7볼트 배터리를 장착하면 한달 반 정도를 계속 사용할 수 있을 것으로 보고 있다. 또 이전에 내도우 박사와 찬드라카산 교수가 개발한 기술을 사용해, 위장의 산성 위액으로 구동되는 전지로도 작동할 수 있다고 말했다.

찬드라카산 교수는 “이번 연구의 초점은 유용한 건강진단 기구를 구현하기 위해 박테리아의 탐지력과 초저전력 회로를 결합한 시스템 디자인 통합을 해냈다는 점”이라고 평가했다.

센서의 네 개 '웅덩이'에 가공된 박테리아를 주입하고 있다.

센서의 네 개 ‘웅덩이’에 가공된 박테리아를 주입하고 있다. CREDIT: MIT School of Engineering

캡슐 삼킨 뒤 짦은 시간 안에 출혈 진단

연구팀은 돼지에게 이 삼킬 수 있는 센서를 시험한 결과 위장에 혈액이 존재하는지의 여부를 정확하게 확인할 수 있었다고 밝혔다. 연구팀은 이 같은 유형의 센서가 1회용으로 쓰이거나, 위장관에 며칠 혹은 여러 주를 머물면서 지속적인 신호를 보내오도록 디자인할 수 있을 것으로 보고 있다.

현재 위궤양으로 출혈이 의심되는 환자는 증상을 진단하기 위해 위내시경 검사를 받아야 한다. 이때 환자에 따라서는 고통을 피하기 위해 진정제 등을 투입하거나 수면내시경을 하기도 한다.

마이미 연구원은 “이 센서의 목적은 간단히 캡슐을 삼킴으로써 불필요한 과정을 피하고, 비교적 짧은 시간 안에 출혈이 있는지의 여부를 알 수 있다는 점”이라고 설명했다.

연구팀은 이 기술을 실제 환자에게 적용하기 위해 센서 크기를 줄이고 박테리아 세포들이 인체 소화관에서 얼마나 오랫동안 생존할 수 있는지를 연구할 계획이다. 아울러 출혈 이외에 다른 위장 상태도 파악할 수 있는 센서 개발에도 관심을 기울이고 있다.

연구를 수행한 논문 제1저자인 마크 마이미 연구원(왼쪽)과 필립 내도우 박사(오른쪽). CREDIT: MIT School of Engineering

논문 제1저자인 마크 마이미 연구원(왼쪽)과 필립 내도우 박사(오른쪽). CREDIT: MIT School of Engineering

박테리아 종류 늘려 여러 질병 상태 확인 가능”

‘사이언스’지 논문에서 필자들은 동물실험을 하지 않은, 이전에 기술된 다른 두 개 분자 탐지 센서에 대해서도 언급했다. 이 중 하나는 염증과 관련 있는 티오황산염으로 불리는 황 함유 이온을 탐지하는 센서로, 크론병이나 다른 염증성 질환자의 장 상태를 살펴보는데 사용될 수 있다.

다른 하나는 AHL이라 불리는 박테리아 신호 분자를 탐지하는 센서다. AHL은 다른 유형의 박테리아들이 약간 다른 버전의 분자를 생성하기 때문에 위장관 감염의 표지자 역할을 할 수 있다.

마이미 연구원은 “논문에서 소개한 대부분의 작업은 혈액과 관련된 것이지만, 생각해 보면  어떤 것이든 감지해서 그에 반응해 빛을 내는 박테리아를 가공할 수 있다”며, “질병 관련 분자를 탐지하기 위해 박테리아를 가공하려는 사람은 그 박테리아를 ‘웅덩이’ 중 한 곳에 넣으면 작업을 쉽게 할 수 있다”고 조언했다.

연구팀은 다양한 균주를 운반할 수 있는 센서를 설계해 여러 종류의 질병 상태를 진단할 수 있을 것이라고 말한다.

내도우 박사는 “현재 우리는 네 개의 탐지 사이트를 가지고 있으나 누구든 이를 16개 혹은  256개로 확장할 수 있다면 많은 종류의 박테리아 세포가 탐지한 결과를 동시에 읽어내 훨씬 많은 스크리닝이 가능할 것”이라고 전망했다.

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