(왼쪽부터) 연세대 생명공학과 이은영 박사후연구원, 신용 교수

연세대학교(총장 윤동섭) 생명공학과 신용 교수 연구팀이 전력이나 대형 장비 없이도 리터 단위의 하수에서 극미량의 병원체를 고효율로 농축할 수 있는 하이드로겔 비드 기반의 전처리 플랫폼을 개발했다.

연구 성과는 환경 및 화학공학 분야의 세계적 권위지인 ‘위험물질 저널 (Journal of Hazardous Materials, IF 11.3)’에 게재 승인됐다.

하수 기반 감시(Wastewater-Based Surveillance, WBS)는 지역사회의 감염병 발생 양상을 조기에 파악할 수 있는 유용한 공중 보건 모니터링 수단이다. 하지만 대용량의 하수 시료에서 극미량의 병원체와 핵산을 분석할 수 있는 수준으로 농축하는 ‘전처리’ 단계가 상용화의 핵심적인 병목으로 작용해 왔다. 기존의 한외여과나 원심분리 방식은 고가의 대형 펌프 장비가 필수적이고, 부유물이 많은 실제 하수 환경에서는 필터 막힘 현상이 발생해 대용량 처리에 한계가 있었다.

이러한 문제점을 극복하기 위해 연세대 신용 교수 연구팀은 점토 광물의 일종인 황산 활성화 벤토나이트와 알긴산염을 결합하고, 표면에 아민기를 도입한 ‘계층적 하이드로겔 비드 (Alg@SAB)’을 개발했다. 이 비드는 확산 경로를 단축하는 거대다공성-중다공성 지지체 구조를 띠고 있다. 또한 표면 아민기를 통한 ‘전기적 흡착’과 바륨 이온(Ba2+)을 매개로 한 ‘양이온 교환’의 이중 모드 시스템을 통해 하수 내 유리 병원체와 금속-병원체 복합체를 동시에 고효율로 포집하도록 설계됐다.

연구 결과에 따르면, 기존 상용 진공 멤브레인 키트가 500mL 이상의 하수 시료에서 막힘 현상으로 작동하지 못하지만, 연구팀이 개발한 하이드로겔 비드는 진공 펌프나 전기 장비 없이 단순 교반만으로 최대 1L의 대용량 시료를 성공적으로 농축했다. 100mL 시료 처리 기준 상용 키트 대비 27% 향상된 56%의 회수율을 보였으며, 바이러스 역가와 검출 값 간의 우수한 선형성을 유지했다.

또한 pH 의존적 가역 교차결합 기술을 접목하여 단일 튜브 내에서 시료 이송 없이 전처리와 핵산 추출을 한 번에 완결 지을 수 있다. 1회 검사당 소모품 비용이 약 0.06 달러에 불과해 매우 경제적이며, 하수 마이크로바이옴 분석 시 군집의 생태학적 다양성을 왜곡하지 않으면서도 표적 미생물을 성공적으로 농축할 수 있음이 확인됐다.

신용 교수는 “이번 연구를 통해 고가의 대형 장비와 인프라가 부족한 환경에서도 저비용으로 신속하게 대용량 하수 모니터링을 수행할 수 있는 원천기술을 확보했다”라며 “추후 감염병 발생 조기 경보 시스템을 비롯해, 마이크로바이옴 및 다양한 분자 진단 응용 분야를 아우르는 범국가적 공중 보건 감시 체계 구축에 널리 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.

한편, 이번 연구는 중소벤처기업부 기술혁신개발사업 및 과학기술정보통신부 한국연구재단 사업의 지원으로 수행됐다. 저자로는 연세대 이은영 박사후연구원(제1 저자), 신용 교수(교신저자)가 참여했다.