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[물리학과] 안영환 교수팀, 테라헤르츠파 이용 新 병원균 검출법 개발

  • 김대희
  • 2022-07-08
  • 37


안영환 교수 연구팀이 전자기파의 일종인 테라헤르츠파(THz)를 활용해 세균, 바이러스  등의 미생물을 판별하는 새로운 감별법을 개발해냈다. 이 기법을 이용하면 PCR 검사를 비롯한 기존의 방법보다 간편하고 신속하게 병원균을 감별해낼 수 있다, 이에 후속 연구를 통해 정밀 센서를 비롯한 진단의학 연구와 미생물 분야 연구에 널리 활용될 수 있을 것으로 보인다. 


테라헤르츠파(THz)는 T-ray라고 부르는 전자기파의 일종으로 기존의 광파나 엑스레이가 투과하지 못하는 물질을 선택적으로 그리고 쉽게 투과할 수 있어 최근 주목받고 있다. 더불어 인체에 무해 하다는 특징이 있어 생체 이미징이나 세포·조직 검사 같은 의료 분야에 활용되며, 수하물·우편물 등의 보안 검사와 초고속 통신 시스템 등에도 쓰인다.


안영환 교수(물리학과·대학원 에너지시스템학과) 연구팀은 테라헤르츠파(THz) 열곡선 분석법을 통해 비표지 미생물 검출법을 개발해냈다고 밝혔다. 해당 내용은 <테라헤르츠 열곡선 분석법을 통한 비표지자 유해균 검출(Terahertz thermal curve analysis for label-free identification of pathogens)>이라는 논문으로, SCIE급 저명 학술지 <네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)> 6월 온라인판에 게재됐다. 대학원 에너지시스템학과 박사과정의 전승원 학생이 연구에 함께 참여했다.  


일반적으로 박테리아나 바이러스 같은 병원균은 선택적 검출에 필요한 흡수 스펙트럼을 가지고 있지 않다. 때문에 유해한 균의 선택적 검출을 위해서는 특정 파장에서 발광하는 형광 표지자(염료)를 붙이거나, 유해균 대상물에 반응하는 항체를 활용하는 것이 일반적인 방식이다. 


병원균 검출의 여러 방식 중, 코로나 팬데믹 이후 일반에게도 익숙해진 PCR(중합효소연쇄반응) 검사 기법의 경우, 미량의 시료에 대해서도 매우 정밀한 측정이 가능하다는 장점이 있다. 반면 병원균으로부터 유전자를 추출해야 하는 전처리 과정을 포함해 숙련된 전문 인력에 의한 복잡한 과정을 거쳐야 하며, 유전자 증폭을 위해 다수의 시약을 필요로 한다는 부분은 단점이다. 


아주대 연구팀이 개발해낸 새로운 방식을 활용하면 특정 시약이나 표지자(염료) 없이 신속하고 간편하게 병원균을 감별할 수 있다. 아주대 연구팀은 온도에 따라 미생물의 유전율(빛과 상호작용하는 물질의 고유 특성을 나타내는 물리량으로 굴절률의 제곱에 비례)이 변한다는 가설하에 온도 의존 THz파 메타센서를 제작, 미생물의 고유 지문을 도출해 내는 데 성공했다. 이는 생장 단계별(성장-사멸-DNA 분해 및 세포벽 분해)로 급격하게 변하는 유전율 양상이 미생물 고유의 특징을 반영하기 때문에 가능하다. 메타센서는 투명 망토 제작 등에 활용되는 메타물질을 활용, 매질의 유전율 변화를 정밀하게 관측하는 센서다.


연구팀은 이 방법을 통해 폐혈증을 비롯한 여러 질병의 원인이 되는 대장균, 포도상구균, 녹농균, 효모 등의 병원균에 대해 고유의 지문 데이터를 획득하는 데 성공했다. 특히 대장균과 유산균이 섞여 있는 시료에서, 두 개체를 성공적으로 분리 감별해냄으로써 두 종 이상의 미생물이 섞여 있는 경우에도 각각을 검출해낼 수 있음을 확인했다. 


안영환 교수는 “이번 연구는 세균과 바이러스 같은 병원균을 특정 시약이나 표지자 없이 감별할 수 있는 새로운 접근법을 찾아냈다는 점에서 중요한 의미를 갖는다”며 “후속 연구를 통해 감도와 정밀도를 향상시켜, 누구나 쉽게 활용할 수 있는 현장형·실시간 진단 센서로의 상용화 가능성을 높이고자 한다”고 밝혔다. 

 

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구지원사업과 중점연구소 사업(자율형)의 지원으로 수행되었다. 아주대는 ‘2021년 이공분야 대학중점연구소 지원사업’ 자율운영중점연구소 기초과학분야에 선정되어 최대 9년간 총 108억원 상당을 지원받고 있다.


물리학과·대학원 에너지시스템학과 소속의 안영환 교수는 ▲나노소자 제작 ▲실시간 나노광전 영상 측정 ▲테라헤르츠파(THz) 바이오 센서 ▲메타물질 제작 등의 연구를 수행하고 있다. 


<아주대 연구팀은 온도에 따라 미생물의 고유 특성을 나타내는 유전율이 변한다는 가설하에, 온도 의존 테라헤르츠파 메타센서를 제작했다. 제일 위 그림과 같이 미생물은 생장 단계별로 유전율 양상이 급격하게 변화하고, 그 양상이 각각의 미생물의 고유 특징을 반영하기 때문에 고유 지문 도출이 가능하다. 아래 그림과 같이 두 종(대장균과 유산균) 이상의 미생물이 포함된 시료의 대해서도 각각의 미생물에 대한 선택적 감별이 가능했다.>



<제일 위 사진 설명 - THz파 메타센서 기반의 미생물 감별법을 활용하면 실시간 병원균 검출이 가능하다. 이에 추가 연구를 통해 앞으로 병원에서의 감염병 조기 진단뿐 아니라, 일상에서 누구나 사용이 가능한 병원균 감별 센서로 활용될 수 있으며, 음용수의 수질을 모니터링하는 환경 센서로도 적용될 수 있을 전망이다. 또한, 연구 측면에서는 미생물의 동역학 및 생리학 연구에 이용될 수 있다.>