새집증후군으로 잘 알려진 포름알데히드와 같은 유해한 휘발성 유기물은 종종 건강에 심각한 위협이 되곤 한다. 이런 휘발성 기체는 종류가 매우 다양하고 화학적으로 비슷한 물질들이 많아서, 고가의 분석 장비를 통해서만 구별하고 측정할 수 있었다. 국내 연구진이 가늘고 긴 모양의 바이러스를 유전적으로 조절해 인체에 유해한 휘발성 유기물만 명확히 구분하는 초소형 센서를 개발했다. 개발한 센서는 단백질 조각을 활용해 값이 싸고 대량생산이 가능할 뿐 아니라, 1000만분의 1( 0.1 ppm) 수준의 초고감도 센싱이 가능하다. 실내？외 공기질 파악이나 위험물 감지 뿐 아니라 인간의 호흡에서 배출되는 대사산물도 확인할 수 있어 다양한 IoT 기반의 센서 개발에 활용될 전망이다. 

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)은 KIST 바이오마이크로시스템연구단 김상경 박사, 황교선 박사와 스핀융합연구단 이현정 박사 공동연구팀이, “바이러스와 단백질 조각을 이용하여 유기계 (발암성) 환경유해물질을 정확히 구분하여 모니터할 수 있는 초소형 센서를 개발했다”고 밝혔다. 

생활 환경이나 산업현장에서 발견되는 휘발성 유기물(volatile organic compound, VOC)은 호흡을 통해 흡수되거나 피부, 점막에 오랜 시간 노출되면 알러지, 천식, 심하면 암과 같은 심각한 만성질환을 일으킨다. 최근 나노기술을 이용한 초고감도의 센서들이 개발되었지만 VOC와 비슷한 기체에 대하여 다 같은 신호를 내기 때문에, 유해한 특정기체가 포함되어 있는지 별 문제가 없는 유기물이 다량 있는지 구분할 수 없었다. 또한 생활 환경에서 흔하게 발생하는 비교적 무해한 가스에도 같은 신호를 내서 위험을 감별하기 어려웠다. 

본 연구에서는 유전자를 조절하여 가늘고 긴 모양의 바이러스인 박테리오파지를 다양하게 만든 다음, 그 중 벤젠 유도체 기판에 결합하는 박테리아파지만을 찾아내어 분석해 벤젠만 잘 잡는 단백질 조각, 즉 펩티드를 찾아내었다. 이렇게 찾아낸 펩티드들은 우리 주변에 흔히 볼 수 있는 알콜이나 유해성이 높지 않은 아세톤 등의 화학물질에는 반응하지 않기 때문에, 대표적 발암성 화학물질인 벤젠을 정확히 찾아낼 수 있다.

연구진이 개발한 센서는 기존의 센서들이 차이를 구별할 수 없었던 벤젠과 톨루엔과 같은 유사한 화학약품들도 분명하게 구분할 수 있어 센싱 능력이 더욱 향상되었다. 벤젠은 불완전 연소나 다양한 용매로부터 발생할 수 있는 대표적인 유해 VOC로 주거환경이나 자동차에서 실내 공기의 질을 좌우하는 중요한 요소이다. 벤젠과 그와 유사한 화학약품인 톨루엔은 석유화학공정에서도 대량으로 취급되는 중요한 원료로서, 산업현장의 안전을 위해서도 모니터할 필요가 높다. 

사람과 동물이 가진 냄새를 구분하는 후각수용체 단백질은 모두 휘발성 기체에 반응하는 센서들이다. 따라서 사람의 후각수용체 단백질을 그대로 이용하여 기체 센서로 구현하려는 시도도 이어지고 있다. 본 연구는 후각수용체 단백질과 비슷한 성질의 펩티드를 이용한 센서로 연구에 쓰이는 펩티드는 단백질과 같이 아미노산으로 만들어졌지만 백분의 일 정도의 아주 작은 조각으로서, 값싸게 대량으로 제조할 수 있고 다양한 온도, 습도 환경에서 매우 안정하여 초소형 소자에 적용하고 제품화하는데 쉬운 장점이 있다. 

이 외에도 다양한 휘발성 유기물은 식품의 신선도, 숙성이나 발효를 확인할 수 있는 지표가 되며 사람의 호흡에 섞인 유기물은 건강상태와도 밀접하게 연관되어 있다. 따라서 개발된 펩티드(단백질 조각)을 이용한 VOC 감지는 환경, 식품, 건강관리 등의 다양한 영역에서 적용될 수 있는 원천기술로서, IoT 기반의 새로운 초소형 센서 개발로 이어질 것으로 전망된다. 

공동 연구자인 KIST 김상경 박사와 황교선 박사, 이현정 박사는 “이번에 개발한 방식은 표적기체가 정해지면 그에 대한 선택적 펩티드를 찾아내는 방식이기 때문에 향후 원하는 VOC에 최적화된 센서를 빠르게 구현할 수 있으며 가격경쟁력과 안정성을 갖추어 광범위한 가스센서 제품에 적용될 것으로 기대한다”고 밝혔다.

본 연구는 환경부 글로벌탑 환경기술개발사업과 KIST 기관고유 과제의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 사이언티픽 리포트 (Scientific Reports)지에 3월 17(화)일자 온라인판에 게재되었다. 

* (논문명) Single-carbon discrimination by selected peptides for individual detection of volatile organic compounds

      - (공동 제1저자) (한국과학기술연구원) 주수미, 이기영 박사

      - (공동 교신저자) 한국과학기술연구원 이현정 박사, 김상경 박사, 황교선 박사

<그림 1> 벤젠 모사 기판에 특정 박테리오파지가 붙는 방식과 박테리오파지의 자세한 구조 모식도. 펩티드 라이브러리를 기판과 결합시킨 후 잘 씻어내면 특정 펩티드로 둘러싸인 박테리오파지만이 벤젠 모사기판에 붙어서 남는다.

<그림2> 가스의 농도와 습도 및 온도를 정확히 조절하여 센서의 성능을 평가할 수 있도록 구성한 시스템. 가운데 작은 반응조 (동그라미 안)에 펩티드를 이용한 마이크로센서가 들어가게 되며 각종 가스에 연결된 밸브를 전자식으로 조절하서 신호를 측정한다. 한개 마이크로칩의 크기는 1cm보다 작다.