[환경미디어= 김한결 기자] 순수 국내연구진이 장내 염증 반응에 의해 생성되는 질산염(NO3-)을 장내미생물이 직접 감지해 형광신호를 내도록 하는 스마트 미생물 기술을 최초로 개발했다. 이 기술은 합성생물학을 기반으로 인공유전자회로를 제작하고 이를 프로바이오틱스에 도입해, 비침습적 염증성 장질환의 진단이 가능하도록 한 것이다. 이 기술은 향후 장내미생물을 이용한 새로운 형태의 진단 및 치료제 개발에 기여를 할 것으로 기대된다.

▲ 제공=한국생명공학연구원

한국생명공학연구원(원장 김장성, 이하 생명연) 합성생물학전문연구단 이대희/이승구 박사팀과 실험동물자원센터 황정환 박사팀(교신저자: 황정환/이승구/이대희 박사, 제1저자: 우승균 UST 박사과정)이 수행한 이번 연구는 한국연구재단이 지원하는 바이오·의료기술개발사업(차세대 바이오분야 Korea Bio Grand Challenge사업)의 지원으로 수행됐고, 분석화학 분야의 세계적 저널인 Biosensors & Bioelectronics (IF=10.257) 8월 20일자 온라인 판에 게재됐다.(논문명:A designed whole-cell biosensor for live diagnosis of gut inflammation through nitrate sensing)

연구팀은 산화질소의 최종 산화물인 질산염을 장내 염증 진단의 지표물질로 활용해 합성생물학 기반의 유전자회로를 개발했으며, 이를 프로바이오틱스균(Escherichia coli Nissle 1917, EcN)에 도입해 비침습적 염증 진단이 가능한 스마트 미생물을 개발했다.

연구팀은 질산염을 감지할 수 있는 유전자회로를 개발하기 위해 장내미생물과에 속한 대장균이 산소가 없는 상태에서 호흡시 질산염을 사용하는 점에 주목했다.

대장균이 고유하게 가지고 있는 신호전달계를 사용해 질산염을 감지할 수 있는 조절인자로 활용했으며, 감지된 신호를 통해 형광 단백질의 발현을 유도해, 질산염의 존재 유무를 형광세기로 시각화해 확인할 수 있는 유전자회로를 개발했다.

연구팀은 개발된 유전자회로를 프로바이오틱스 대장균에 도입해 질산염 감지 스마트 미생물을 제작했으며, 생체 외(in vitro) 환경에서 스마트 미생물의 최적화 과정을 수행했다.

최적화된 스마트 미생물은 장내 환경과 유사한 뮤신(mucin)이 함유된 혐기성 배지 조건에서도 질산염을 성공적으로 감지할 수 있었다. 특히, 혐기 호흡 시 질산염 외에 사용 가능한 다른 전자 수용체들을 대상으로 기질 특이성 실험을 진행한 결과 질산염에 대한 높은 특이성을 나타내는 것을 확인했다.

개발된 스마트 미생물을 활용해 대장염(colitis)을 앓는 실험동물 마우스에서 장내 염증 감지 실험을 수행한 결과, 건강한 마우스 그룹에 비해 염증이 유도된 마우스 그룹에서 질산염 감지 신호에 의한 형광 단백질 발현이 증가된 것을 확인했다. 특히, 염증 진행 정도에 따른 대장 내 질산염 농도 증가와 대장 및 분변 샘플에서 분석한 바이오센서 내 형광 단백질 발현 증가 경향이 높은 유사성을 나타냄을 확인할 수 있었다.

다시 말해, 대장 내 염증은 질산염의 생성을 증가시키고, 경구로 주입된 스마트 미생물은 대장에서 염증 반응에 의해 증가된 질산염을 감지해 형광 단백질을 발현함으로써 대장 및 분변 시료에서의 형광 세기 분석만으로도 대장 내 염증을 진단할 수 있다.

또한, 진단의 특이성(specificity)은 높이고 위양성(false-positive) 결과를 낮추기 위해 염증의 두 지표물질인 질산염(nitrate) 및 티오황산(thiosulfate)이 모두 존재하는 환경에서만 형광 단백질이 발현되는 유전자회로를 개발했다.

연구책임자인 이대희 박사는 “장내 염증의 지표물질인 질산염과 티오황산을 동시에 감지해 형광을 띄는 스마트 미생물을 활용해 비침습적 염증성 장질환 진단 기술도 개발이 가능하며, 특히 형광 단백질을 염증을 치료할 수 있는 치료제로 대체할 경우 염증과 동시에 치료도 가능한 스마트 미생물 기술도 개발 가능하다”고 밝혔다.

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