위험 화합물로 분류하는 다수의 페놀계 화합물들은 살충제, 살미생물제, 훈증약, 보강제, 염료, 용매, 방오제로 사용하며 인체 접촉 시 눈, 피부, 호흡기, 간, 방광을 손상시킬 수 있어 위협적이다. 바이오센서는 생물적인 부분과, transducer로 이루어지는데 생물적 부분((효소, 항체, 세포내 구성물질, 세포 등)은 환경 신호를 감지하며, transducer는 감지 신호를 발색, 흡광도, 전기 전류, 전위 등의 측정할 수 있는 신호로 송출한다. 다수 종류의 바이오센서들 중에서도 미생물 유래 바이오센서는 목표 화합물과 생리적 신호를 현장에서 감지하는데 매우 유용하다. 이에 본 연구진은 냉동 건조된 재조합 박테리아 바이오센서를 개발하여 페놀 화합물의 현장 검출용으로 발색을 근거하였다.
<h1>서 론</h1> <p>많은 페놀계 화합물들은 위험 화합물로 분류되며 살충제, 살미생물제, 훈증약, 보강제, 염료, 용매, 방오제 등으로 사용되고 있다. 이들의 환경 배출은 인체 접촉 시 눈, 피부, 호흡기, 간, 그리고 방광을 손상할 수 있어 인간의 건강을 위협한다. 현재 페놀계 화합물은 가스 크로마토그래피와 같은 복잡한 기기로 잘 훈련된 사람에 의해 고비용으로 분석되나 현장 활용은 불가능하다. 또한 페놀계 화합물은 방향성으로 인해 실험실로 운반하고 전 처리하는 과정에서 손실이 일어날 수 있다. 그러므로 이러한 방향성 화합물을 현장에서 검출할 수 있는 운반 가능하고 간단한 저비용 접근 방법이 필요하다.</p> <p>바이오센서는 환경 신호를 감지하는 생물적인 부분(효소, 항체, 세포내 구성물질, 세포 등)과 감지된 신호를 발색, 흡광도, 전기 전류 또는 전위 등의 측정할 수 있는 신호로 송출하는 transducer로 이루어진다. 바이오센서는 일상적인 모니터링에서 충분한 정보를 제공할 수 있기 때문에 일차적 모니터링 시스템으로 간주되며 기기분석을 보완할 수 있다. 많은 바이오센서 종류들이 개발되고 있으며 그 중 미생물 유래 바이오센서는 목표 화합물과 생리적 신호를 현장에서 감지하는데 매우 유용함을 보여주고 있다. 이러한 바이오센서는 현장의 다양한 반응조건들에 쉽게 적응할 수 있을 뿐만 아니라 광범위한 화합물을 감지하며 이들의 생이용률과 독성에 관한 정보를 제공할 수 있다.</p> <p>대부분의 바이오센서는 DNA 재조합 기술을 이용하여 조절관련 유전자들(전사 조절자와 promoter/operator 유전자) 과 lacZ (\(\beta\)-galactosidase 발현), Iux/luc (bacterial/firefly luci-ferase 발현) 또는 gfp (green fluorescent protein 발현)와 같은 리포터 유전자를 결합하여 제작한다. 이렇게 만든 재조합 바이오센서들이 다양한 환경 모니터링에 활용 되고 있다. 최근에 바이오센서의 민감도와 특이성을 향상시키기 위해 조절 단백질의 유도자 결합 부위를 변형하거나, 표면 발현 단벡질과 주변세포질 결합 단백질들을 활용하는 연구가 보고되고 있다.</p> <p>그러나 미생물 바이오센서의 개발에서 많은 괄목할 진전이 이루어지고 있지만 여전히 목표인 환경에서의 사용은 미비하다. 그 이유는 많은 미생물 바이오센서가 실험실의 최적조건 (수용액 상태와 완충 용액)에서는 잘 실행되지만 이러한 조건들은 실제 현장에서는 좀처럼 발견되지 않기 때문이다. 환경에서 미생물 바이오센서는 스트레스가 되는 \( \mathrm{pH} \) 수준, 온도, 중금속, 변성제, 그리고 바이오센서 시스템을 비활성화시키거나 심지어 소멸시키는 다른 악조건에 종종 노출된다.</p> <p>따라서 바이오센서 세포의 내성, 안정성, 및 내구성을 향상시키기 위해 matrix나 transducer에 물리적 또는 화학적으로 고정화하려는 다양한 시도가 이루어지고 있다. 고정화는 환경적 스트레스와 독성으로부터 세포를 보호한다. 물리적 고정화(포괄과 흡착)는 살아있는 세포가 필요할 경우, 화학적 고정화(cross-linking과 covalent binding)는 살아있는 세포가 중요하지 않을 경우 선택하는 방법이다. 포괄(entrapment)고정화는 여과지, 여과막, 화학/생물적 젤(alginate, agarose, collagen, polyacrylanide, polyvinylachohol 등)읕 matrix로, 흡착 고정화는 alumina 또는 glass beads을 matrix로 흡착 결합 (ionic-, polar- 그리고 hydrogen-bonding interactions)에 의해 결합된다. 고정화의 문제는 포괄에 사용된 물질에 의해 확산장애가 일어나 시스템의 민감도와 검출한계를 낮게 할 수 있고 흡착의 경우 미생물의 탈착이 제한요인이 될 수 있다.</p> <p>페놀 화합물의 현장 검출용으로 발색을 근거한 냉동 건조된 재조합 박테리아 바이오센서를 본연구진에 의해 개발하였다. 냉동 건조된 재조합 박테리아 바이오센서는 간편하고 빠르게 페놀 화합물을 현장에서 검출함으로 불편한 기기를 탁월하게 대체하지만, \( \beta \)-galactosidase 기질을 현장으로 운반하여 시험관에 넣어야 하는 불편함이 있다. 따라서 본 연구에서는 현장 활용에서 좀 더 간편하고 간단한 바이오센서 시스템을 연구하였다. 기 개발된 바이오센서의 문제점을 해결하기 위해 \( \beta \)-galactosidase 기질과 함께 바이오센서 세포를 agarose gel로 96 well plate에 고정하였다. 고정된 바이오센서는 현장에서 전처리 없이 작은 부피의 현장시료만을 바이오센서 세포가 들어 있는 wells에 첨가하여 발색을 관찰함으로 페놀 화합물을 검출할 수 있었다. 따라서 \( \beta \)-galactosidase 기질과 함께 고정된 일회용 바이오센서는 현장에서 페놀 화합물을 간단하게 검출하는 데 유용하게 활용될 수 있는 일차적 접근 방법임을 검증하였다.</p>