홍승훈ㆍ박태현 교수팀이 냄새물질의 원자 하나 차이까지 식별해낼 수 있는 초고감도 바이오전자코(Bioelectric Nose)를 개발했다.특정 냄새에만 선택적으로 반응해 마약 검지 등에 사용할 수 있을 전망이다.

물리천문학부 홍승훈 교수와 화학생물공학부 박태현 교수팀은 인간 후각 수용체를 탄소나노튜브와 결합해 냄새물질의 탄소 하나 차이까지 식별할 수 있는 바이오전자코를 개발했다고 밝혔다.이 바이오전자코의 성능(분해능)은 100펨토몰(1펨토는 10의 15제곱분의1) 수준에 이른다.

연구진은 사람의 후각세포에서 냄새를 맡는 역할을 하는 후각 수용체 단백질을 채취해 대장균을 통해 대량 복제했다.이어 이 단백질을 탄소나노튜브 트랜지스터 표면에 흡착시키는 방식으로 사람 코와 같은 원리로 냄새를 식별하는 바이오전자코를 만들었다.

냄새를 가진 분자가 트랜지스터 위의 후각 단백질에 결합하면 이 단백질의 전하가 변하고,전하의 변화가 탄소나노튜브 트랜지스터에 전기신호를 만들어냄으로써 냄새를 식별하는 센서로 작동하는 원리다.실제로 연구진이 과일냄새를 검지할 수 있는 바이오전자코를 만들어 실험한 결과 과일냄새 분자와 과일냄새 물질과 유사한 냄새 분자를 탄소원자 1개 차이 수준까지 구별해 내는 높은 감도를 보였다.

홍 교수는 “지금까지 개발된 센서는 한꺼번에 여러 종류의 가스에 반응하는 문제가 있었지만 이 바이오전자코는 사람 코와 똑같은 방식으로 원하는 냄새분자만 검지할 수 있다.”면서 “마약 검지 등 경찰견 사용 분야나 신약개발,향수물질 개발 등에 널리 활용될 수 있을 것”이라고 밝혔다.

강태준 박사와 KAIST 화학과 정용원, 김봉수 교수 연구팀은이중가닥 유전자에만 선택적으로 결합하는 다가(Multivalent)형태의 단백질을 나노선 광학센서에 적용, 초고감도로 유전자를 검출하는데 성공했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부가 추진하는 글로벌프론티어사업 바이오나노헬스가드연구의 지원으로 수행되었고, 화학분야의 세계적인 저널인 앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition, IF=11.994) 10월 25일자 온라인 판에 게재됐다.

연구팀은 개발된 다가형태 단백질의 표면 전하를 조절해 표적 유전자에 대해서는 매우 특이적으로 결합했다. 비표적 유전자에 대해서는 거의 완벽하게 결합하지 않는 최적의 다가형태 단백질을 개발했다.

연구팀은 최적화된 다가형태 단백질을 금 나노선 광학센서에 적용해 아토몰라(Attomolar) 농도 수준의 유전자 검출에 성공했다. 특히 여러 개의 유전자를 동시 검출할 수 있음을 보여, 이 기술의 질병진단 센서로의 가능성을 확인했다.

연구책임자인 강태준 박사는 “이러한 연구 결과는 다양한 바이오마커에 특이적으로 결합하는 단백질 프로브 개발과 이를 활용한 고감도, 고특이 질병진단기술 개발에 큰 기여를 할 것으로 기대된다“고 밝혔다.

KAIST는 생명화학공학과 박현규 교수 연구팀이 새로운 RNA 분해효소(RNase H)의 활성을 검출하는 기술을 개발했다고 22일 밝혔다.

연구팀은 헤어핀 자기조립 반응이라는 고효율의 신호증폭 반응을 이용해 RNA 분해효소의 활성을 효과적으로 분석하는 기술을 개발했다. RNA 분해효소가 HIV 바이러스 증식에 필수적으로 관여하는 물질임을 고려할 때 박 교수 연구팀의 연구가 향후 에이즈를 치료하는 데 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

이창열 교수와 장효원 박사과정이 공동 1저자로 참여한 이번 연구는 영국왕립화학회가 발행하는 국제 학술지 ‘나노스케일(Nanoscale)’ 2017년도 42호(11월 14일 발행) 표지논문으로 선정됐다. 현재 개발된 RNA 분해효소의 활성을 검출하는 기술들은 일반적으로 값비싼 형광체, 소광체가 필수적이고 그 도입 과정도 복잡하다는 한계가 있다. 또한 신호를 증폭시킬 수단이 없기 때문에 전반적으로 검출 성능이 매우 낮다.

연구팀은 기술의 한계를 극복하기 위해 헤어핀 자기조립 반응이라는 기술을 이용했다. 이 기술은 검출신호를 증폭시켜 RNA 분해효소 활성이 더 민감하게 검출될 수 있도록 도와준다.

그리고 연구팀은 이 헤어핀 자기조립 반응의 결과물이 형광신호의 발생에 적합한 지-쿼드러플렉스(G-quadruplex) 구조를 갖도록 반응시스템을 설계했다. 지-쿼드러플렉스 구조와 결합해 강한 형광을 내는 형광물질을 사용함으로써 기존의 RNA 분해효소 활성 검출 기술의 한계를 극복하는 고성능의 RNA 분해효소 활성 검출 기술을 개발했다.

또한 이 기술을 이용해 RNA 분해효소의 활성 저해제를 선별할 수 있었다. 연구팀의 연구 성과는 일반에 잘 알려진 에이즈를 치료하는 데 기여할 수 있을 것으로 예상된다. 에이즈는 HIV 바이러스가 발병하면 나타나는 전염병으로 HIV 바이러스는 역전사 반응의 특성을 갖는 일명 레트로 바이러스이다.

레트로 바이러스는 RNA가 DNA로 변하는 특성을 갖는다. 그리고 이 과정에서 RNA 분해효소가 개입해야만 이 특성을 유지할 수 있다. RNA 분해효소의 활성을 막을 수 있다면 HIV 바이러스의 발현을 막을 수 있는 것이다.

박 교수는 “이번 연구에서 개발된 기술은 RNA 분해효소의 활성 외에도 다양한 효소 활성 검출 기술 개발에 응용 가능하다”며 “이를 통해 효소 관련 질병 치료 연구에 다양하게 활용될 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.