벤젠·포름알데히드 등 유해물질 찾는 초고감도 센서

KIST 공동연구팀, 관련 센서 개발

▲벤젠 모사 기판에 특정 박테리오파지가 붙는 방식과 박테리오파지의 자세한 구조.[사진제공=KIST]

[아시아경제 정종오 기자] 새집증후군의 유해성 휘발성 유기물을 숨김없이 찾아낸다. 발암물질인 벤젠을 1000만분의1까지 실시간 모니터링이 가능하다.

국내 연구팀이 유전적으로 조절한 바이러스를 통해 유해한 휘발성 유기물에만 반응하는 초고감도 센서를 개발해 관심이 집중되고 있다. 발암물질인 벤젠, 새집증후군으로 잘 알려진 포름알데히드와 같은 유해한 휘발성 유기물은 건강에 심각한 위협이 되고 있다. 이 같은 휘발성 기체는 종류가 매우 다양하다. 화학적으로 비슷한 물질들이 많아 고가의 분석 장비를 통해서만 구별하고 측정할 수 있었다.

국내 연구팀이 가늘고 긴 모양의 바이러스를 유전적으로 조절해 인체에 유해한 휘발성 유기물만 명확히 구분하는 초소형 센서를 내놓았다. 개발한 센서는 단백질 조각을 활용해 값이 싸고 대량생산이 가능하다. 1000만분의 1( 0.1 ppm) 수준의 초고감도 센싱이 가능하다. 실내·외 공기 오염 정도를 파악하고 위험물 감지뿐 아니라 호흡에서 배출되는 대사산물도 확인할 수 있다. 다양한 사물인터넷(Internet of Things) 기반의 센서 개발에 활용될 전망이다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)의 바이오마이크로시스템연구단 김상경·황교선 박사와 스핀융합연구단 이현정 박사 공동연구팀은 23일 바이러스와 단백질 조각을 이용하여 유기계 (발암성) 환경유해물질을 정확히 구분하여 모니터할 수 있는 초소형 센서를 개발했다고 발표했다.

생활 환경이나 산업현장에서 발견되는 휘발성 유기물(volatile organic compound, VOC)은 호흡을 통해 흡수되거나 피부 등에 오랜 시간 노출되면 알레르기, 천식이 발생한다. 심하면 암과 같은 심각한 만성질환을 일으킨다. 최근 나노기술을 이용한 초고감도의 센서들이 개발됐는데 VOC와 비슷한 기체에 대해 다 같은 신호를 내는 단점이 있었다.

공동연구팀은 유전자를 조절해 가늘고 긴 모양의 바이러스인 박테리오파지를 다양하게 만들었다. 그 중 벤젠 유도체 기판에 결합하는 박테리아파지만을 찾아내 분석했다. 벤젠만 잘 잡는 단백질 조각, 즉 펩티드를 찾아낸 것이다. 이렇게 찾아낸 펩티드들은 우리 주변에 흔히 볼 수 있는 알코올이나 유해성이 높지 않은 아세톤 등의 화학물질에는 반응하지 않기 때문에 대표적 발암성 화학물질인 벤젠을 정확히 찾아낼 수 있다.

이번에 개발한 센서는 기존의 센서들이 차이를 구별할 수 없었던 벤젠과 톨루엔과 같은 유사한 화학약품들도 분명하게 구분할 수 있었다. 사람과 동물이 가진 냄새를 구분하는 후각 수용체 단백질은 모두 휘발성 기체에 반응하는 센서들이다. 사람의 후각 수용체 단백질을 그대로 이용해 기체 센서로 구현하려는 시도도 이어지고 있다.

이번 연구는 후각 수용체 단백질과 비슷한 성질의 펩티드를 이용한 센서로 연구에 쓰이는 펩티드는 단백질과 같이 아미노산으로 만들어졌다. 값싸게 대량으로 만들 수 있고 다양한 온도, 습도 환경에서 매우 안정돼 초소형 소자에 적용하고 제품화하는데 쉬운 장점이 있다.

개발된 펩티드(단백질 조각)를 이용한 VOC 감지는 환경, 식품, 건강관리 등의 다양한 영역에서 적용될 수 있다. 원천기술로 IoT 기반의 새로운 초소형 센서 개발로 이어질 것으로 전망된다.

이현정 박사는 "이번에 개발한 방식은 표적기체가 정해지면 그에 대한 선택적 펩티드를 찾아내는 방식이기 때문에 앞으로 원하는 VOC에 최적화된 센서를 빠르게 구현할 수 있으며 가격경쟁력과 안정성을 갖추어 광범위한 가스센서 제품에 적용될 것으로 기대한다"고 말했다. 연구결과는 사이언티픽 리포트 (Scientific Reports) 3월17일자 온라인판에(논문명:Single-carbon discrimination by selected peptides for individual detection of volatile organic compounds)에 실렸다.

정종오 기자 ikokid@asiae.co.kr