[창원=뉴스핌] 남경문 기자 = 연구진이 박테리아 주변에 금속 나노구조를 직접 키워 극미량 세균을 빠르게 잡아내는 분석 기술을 내놨다.

한국재료연구원(KIMS) 바이오·헬스재료연구본부 이민영·박성규 박사 연구팀은 박테리아 표면과 주변에 플라즈모닉 금속 나노구조를 직접 성장시켜 살아있는 세균을 표지 없이 신속 검출하는 표면증강라만산란(SERS) 분석 기술을 개발했다고 9일 밝혔다.

이번 기술은 별도 배양 없이 극미량의 박테리아를 1시간 이내 검출하고 항생제 반응도 2시간 이내 평가할 수 있도록 설계됐다. 연구진은 이를 통해 패혈증 등 중증 감염질환의 신속 진단과 정밀 항생제 치료에 활용 가능성이 커졌다고 설명했다.

패혈증은 감염에 대한 인체의 과도한 반응으로 장기 기능에 이상이 생기는 중증 질환이다. 원인균을 빠르게 찾아 적절한 항생제를 투여하는 것이 중요하지만, 감염 초기에는 혈액 속 박테리아 수가 매우 적어 직접 검출이 어렵다.

현재 널리 쓰이는 혈액배양 검사는 박테리아를 먼저 증식시킨 뒤 원인균과 항생제 반응을 확인해야 해 최종 결과까지 수십 시간에서 수일이 걸릴 수 있다. 이에 따라 살아있는 원인균을 빠르게 검출하고 항생제 효과를 신속하게 판단하는 기술의 필요성이 제기돼 왔다.

연구팀은 박테리아 자체를 나노구조 성장의 중심으로 삼아 표면과 주변에 플라즈모닉 금속 나노구조를 직접 형성하고, 이 과정에서 신호를 증폭하는 SERS 분석 기술을 구현했다. 기존에는 수~수십 나노미터 크기의 핫스팟과 약 1마이크로미터 크기의 박테리아 사이에 크기 차이가 있어, 박테리아 표면 일부만 신호 증폭 영역과 접촉하는 한계가 있었다.

연구팀은 이 한계를 줄이기 위해 박테리아가 있는 곳에 핫스팟을 직접 만드는 방식을 택했다. 박테리아 주변 나노구조 성장, 표면 직접 도금, 분리·농축과 추가 성장 등 세 단계를 거치며 기술을 고도화했고 그 결과 극미량 세균의 검출 성능을 높였다.

용액 속 박테리아 주변에 금속 나노구조를 성장시킨 뒤 전기적 방법으로 박테리아 표면에 직접 금속 나노구조를 형성하는 방식으로 발전시켰다. 여기에 인공지능 분석을 접목해 서로 다른 8종의 박테리아를 구분했다.

나아가 여과 기능을 갖춘 SERS 기판에서 박테리아를 한곳에 모은 뒤 신호를 증폭해 분리·농축부터 검출까지 하나의 기판에서 수행하도록 했으며 1~10 CFU/mL 수준의 극미량 박테리아를 1시간 이내 검출하는 데 성공했다.

혈청과 소변에 살아있는 박테리아를 넣은 모사 시료에서도 검출 성능을 확인했다. 연구팀은 살아있는 박테리아에 항생제를 처리한 뒤 나타나는 SERS 신호 변화를 분석해 2시간 이내 항생제 반응을 평가할 가능성도 확인했다고 밝혔다.

연구팀은 앞으로 실제 혈류 감염과 패혈증 환자의 혈액을 대상으로 임상 검증을 진행하고, 원인균 검출과 항생제 감수성 평가를 통합한 패혈증 신속 정밀진단 플랫폼으로 기술을 고도화할 계획이다.

이민영 선임연구원은 "박테리아가 있는 곳에서 나노구조를 직접 성장시키고 분리·농축 기술을 결합해 극미량 세균 검출의 한계를 극복한 것이 핵심"이라고 말했다. 박성규 책임연구원은 "플라즈모닉 나노소재의 신호 증폭 특성을 박테리아 표면과 주변에 직접 구현해 기존 SERS의 구조적 한계를 줄였다"고 말했다.

이번 연구는 산업통상부 소재부품기술개발사업과 KIMS 기본사업 지원으로 수행됐다. 연구팀은 관련 지식재산권을 확보하고 있으며, 연구 결과는 올해 국제학술지 Chemical Engineering Journal, Biosensors and Bioelectronics, Small Methods에 잇따라 게재됐다.

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