국내연구진이 장내 염증 반응에 의해 생성되는 질산염(NO₃)을 장내미생물이 직접 감지해 형광신호를 내도록 하는 스마트 미생물 기술을 개발했다.
합성생물학을 기반으로 인공유전자회로를 제작하고 이를 프로바이오틱스에 도입해 인체에 고통을 주지 않는 비침습적 염증성 장질환의 진단이 가능하도록 한 것이다.
이 기술은 향후 장내미생물을 이용한 새로운 형태의 진단 및 치료제 개발에 기여를 할 것으로 기대된다.
14일 한국생명공학연구원(이하 생명연)에 따르면 합성생물학전문연구단 이대희·이승구 박사팀과 실험동물자원센터 황정환 박사팀 등 공동 연구진은 산화질소의 최종 산화물인 질산염을 장내 염증 진단의 지표물질로 활용해 합성생물학 기반의 유전자회로를 개발했다.
연구진은 이를 다시 프로바이오틱스균(장내에서 살아있는 균)에 도입해 비침습적 염증 진단이 가능한 스마트 미생물을 개발하는데 성공했다.
연구진은 질산염을 감지할 수 있는 유전자회로를 개발하기 위해 장내미생물과에 속한 대장균이 산소가 없는 상태에서 호흡 시 질산염을 사용하는 점에 주목했다.
대장균이 고유하게 가지고 있는 신호전달계를 사용해 질산염을 감지할 수 있는 조절인자로 활용했다.
이어 감지된 신호를 통해 형광 단백질의 발현을 유도해 질산염의 존재 유무를 형광세기로 시각화해 확인할 수 있는 유전자회로를 개발한 것이다.
연구진은 이같은 유전자회로를 프로바이오틱스 대장균에 도입해 질산염 감지 스마트 미생물을 제작해 생체외(in vitro, 체내에서 추출한 반응물을 체외에서 재현시키는 것) 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 호흡시 질산염 외에 사용 가능한 다른 전자 수용체들을 대상으로 기질 특이성 실험을 진행한 결과 질산염에 대한 높은 특이성을 나타내는 것을 확인했다.
연구진은 이같은 기술을 동물실험에도 적용한 결과 동일한 현상과 결과를 얻는데 성공했다.
연구책임자인 이대희 박사는 “형광을 띄는 스마트 미생물을 활용해 비침습적 염증성 장질환 진단 기술도 개발이 가능하다”며 “특히 형광 단백질을 염증을 치료할 수 있는 치료제로 대체할 경우 염증과 동시에 치료도 가능한 스마트 미생물 기술도 만들 수 있다”고 밝혔다.
한편, 이번 연구성과는 분석화학 분야의 세계적 저널인 ‘Biosensors & Bioelectronics’ 8월 20일자 온라인판에 게재됐다.
