종이 기반 센서로 신경전달물질 동시 진단 기술 구현
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왼쪽부터 가천대 바이오나노학과 김문일 교수, 틴비엣당 교수. |
[대학저널 이선용 기자] 가천대학교 바이오나노학과 김문일 교수 연구팀이 단일원자 구리 기반 나노자임을 활용해 아세틸콜린과 에피네프린 등 신경전달물질을 동시에 진단할 수 있는 종이 기반 미세유체 바이오센서 기술을 개발했다.
이번 연구는 김문일 교수 연구실에서 석·박사학위를 취득하고 현재 가천대 연구교수로 재직 중인 틴 비엣 당(Thinh Viet Dang, 베트남) 박사가 주도적으로 수행했다. 연구 결과는 화학공학 분야 국제학술지 Chemical Engineering Journal(IF 13.2)에 지난 4일 온라인 게재됐다.
우리 몸의 신경세포는 신호를 전달하기 위해 다양한 화학물질을 사용하는데 이를 ‘신경전달물질’이라고 한다. 아세틸콜린과 에피네프린은 대표적인 신경전달물질로, 신경계 질환 연구나 건강 상태를 파악하는 데 중요한 지표로 활용된다. 그러나 이러한 물질을 분석할 때 활용되는 단백질 효소는 안정성이 낮고 작동 조건이 제한적이며 생산 비용도 높다는 한계가 있다.
연구팀은 이러한 한계를 해결하기 위해 효소와 비슷한 기능을 하는 나노물질인 ‘나노자임(nanozyme)’을 활용했다. 특히 구리 원자를 단일 원자 수준으로 분산시킨 ‘단일원자 나노자임’을 개발해 반응 효율을 높였다. 쉽게 말해, 화학 반응을 빠르게 도와주는 ‘인공 효소’를 만든 것이다.
또한 연구팀은 질소와 산소 성분을 포함한 탄소 나노입자(carbon dots)를 이용해 단일원자 구리 나노자임을 상온에서 간단하게 합성하는 방법을 개발했다. 이 나노자임은 두 가지 효소 기능을 동시에 수행할 수 있으며, 자연 효소보다 수십 배에서 수백 배 높은 반응 효율을 보였다. 다양한 온도와 산성·염기성 환경에서도 안정적으로 작동하는 특징도 확인됐다.
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연구모식도(이중 효소 활성을 갖는 단일원자 구리 나노자임 기반 신경전달물질 동시 진단용 종이 바이오센서). |
연구팀은 이 나노자임을 종이 기반 미세유체 센서에 적용해 신경전달물질을 동시에 분석할 수 있는 휴대형 바이오센서를 만들었다. 센서에서 나타나는 색 변화를 스마트폰으로 촬영하면 농도를 확인할 수 있어, 마치 시험지처럼 간단하게 사용할 수 있다. 실제 인간 혈청 시료를 이용한 실험에서도 높은 정확도와 재현성이 확인됐다.
김문일 교수는 “이번 연구에서 개발한 단일원자 구리 나노자임은 간단한 합성 방법으로 높은 촉매 효율과 두 가지 효소 기능을 동시에 구현할 수 있다”며 “앞으로 다양한 생체물질을 분석하는 바이오센서 기술에 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업, 대학중점연구소사업, BK21사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구팀은 앞으로 새로운 나노자임 소재를 개발하고 이를 진단 기술을 비롯한 다양한 공학 분야에 적용하는 연구를 이어갈 계획이다.
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