인간 혈청 단백질 알부민(human serum albumin; HSA)으로 먹는 물에 존재하는 대장균(Escherichia coli) 제거 능력이 우수한 마이크로튜브(microtubes)형 구조체를 제조하는 기술이 일본 도쿄에 위치한 주오대학(Chuo University) 테루유키 코마추(Teruyuki Komatsu) 교수 연구진의 연구로 개발되었다.
마이크로튜브형 구조체를 구성하는 단백질은 사람의 것이기 때문에 의학적 용도로 보다 안전한 사용이 가능할 것으로 기대된다.
대장균은 사람이나 동물의 장 속에 사는 세균으로 특히 대장에 많이 존재한다 하여 대장균이라는 이름이 붙었다. 대장균은 항원구조에 따라 O항원에서 1∼136, K항원에서 1∼78, H항원에서 1∼40으로 분류한다. 대장균은 장 속에서는 병원성을 나타내지 않는 것이 보통이지만, 장 이외의 부위에 들어가면 방광염 ·신우염 ·복막염 ·패혈증 등을 일으킨다. 특히 O157 같은 대장균은 감염되면 장 속에서도 설사 및 출혈성 대장염을 일으켜 환자를 사망에 이르게도 하는 대표적인 병원성 대장균이다.
대장균은 열에 대한 저항성이 약하여 60℃에서 약 20분간 가열하면 멸균된다. 그러므로 여름철에 물을 끓여 마시면 설사를 예방할 수 있다. 대장균은 양쪽 끝이 둥글고 길이 2∼4μm, 나비 0.4∼0.7μm의 간균으로 편모를 가지고 있어 운동성이 있다. 포자를 만들지 않으며, 그람음성균이다. 생물학적으로 대장균은 젖당 및 포도당을 분해하여 산과 가스를 생성시키고 우유를 응고시켜 인돌(indole)을 만든다. 대장균의 존재 여부는 분변에 의한 오염 유무가 지표가 되므로 수질검사 등에서 위생학상 중요한 의미를 지닌다. 대장균은 특히 저개발국가에서 심각한 식중독을 일으키는 원인이 되고 있다. 이는 깨끗한 물이 부족해서 과일이나 야채 같은 식재료를 세척할 때 대장균에 오염된 물을 사용하는 경우가 많기 때문이다.
주오대학 코마추 교수 연구진은 폴리카보네이트(polycarbonate)를 주형(template; 또는 틀)으로 해서 인간 혈청 단백질 알부민과 폴리-L-아르기닌(poly-L-arginine)을 교대로 쌓아 올려 파이프 형태의 마이크로튜브를 만들었다. 마이크로튜브가 완성되면 주형으로 사용했던 폴리카보네이트를 녹여서 제거하면 속이 빈 튜브 형태가 되는데, 이 튜브의 내부 빈공간의 크기는 대장균에 꼭 맞도록 설계되었다.
연구진이 개발한 마이크로튜브처럼 내부에 빈공간이 있고 생체적합성 물질로 이루어진 원통형 나노구조체는 오래 전부터 큰 주목을 받고 있었다. 이는 이들 나노구조체가 분자 포획 장치(molecular capturing devices)나 약물수송체(drug delivery containers) 및 효소 반응기 등으로 활용될 수 있는 충분한 잠재력을 가지고 있기 때문이다. 단백질이나 DNA, 항체 등을 교차로 적층구조화해서 조립하면 다양한 생화학적 반응성을 발휘할 수 있는 나노다공성 막구조물(nanoporous membranes)도 구현 가능하다.
마이크로튜브의 강력한 대장균 제거 효과는 마이크로튜브를 구성하는 성분인 인간 혈청 단백질 알부민 때문이다. 대장균은 인간 혈청 단백질 알부민에 대해 결합 친화력(binding affinity)이 매우 강하다. 때문에 대장균은 마이크로튜브 내부로 들어가 강하게 결합을 형성한다. 마이크로튜브와 대장균의 강한 결합력은 매우 효과적이다. 마이크로튜브를 1.5 μg(100만 분의 1 그램)이면 대장균 10만 마리가 들어 있는 물 1리터를 완벽하게 처리할 수 있을 정도다.
마지막으로 마이크로튜브의 가장 큰 특징은 자석으로 손쉽게 제거할 수 있도록 설계되었다는 것이다. 이는 마이크로튜브 내부에 강력한 자성체인 자철석(magnetite; iron (II) oxide; Fe3O4) 나노입자 층을 장착한 탓으로 용액의 대장균을 처리한 후에 자기장을 이용해 제거가 용이하다.
마이크로튜브의 주성분은 인간 혈청 단백질 알부민이기 때문에 의학용으로 안전하게 사용이 가능하다. 연구진은 마이크로튜브 기술의 개념을 대장균 이외의 다른 병원성 박테리아에 적용할 수 있는 방안을 모색할 계획이다. 이상의 연구 성과는 영국화학회(Royal Chemcal Society)에서 발행하는 케미칼커뮤니케이션스(Chem. Commun.) 저널 온라인 속보판에 게재되었다.
[참조 원문]
An Escherichia coli trap in human serum albumin microtubes
S. Yuge M. Akiyama and T. Komatsu
Chem. Commun., 2014, Advance Article DOI: 10.1039/C4CC03632H
E. coli is a very common type of bacteria, many strains of which are harmless. Some strains, however, such as enterohemorrhagic E. coli O157, are life-threatening to humans. This is particularly problematic in the developing world, where fruit and vegetables washed in contaminated water can cause severe food-poisoning and even death.
The elegant method, devised by
Teruyuki Komatsu and co-workers at Chuo University, Tokyo, begins by depositing microtubes made from alternating layers of human serum albumin (HSA) and poly-L-arginine onto a polycarbonate template. The template is then dissolved away to leave a hollow tube, which is just the right size to fit the
E. coli bacterium. Key to removing
E. coli from a solution is its strong binding affinity for HSA, which attracts the bacteria into the tube. So effective is this binding, that just 1.5μg of microtubes, added to a litre of contaminated water containing 100,000 bacteria were able to remove the bacteria with almost 100% efficiency. The final touch is the incorporation of a layer of magnetite (iron (II) oxide) nanoparticles into the microtubes to allow their easy removal from the solution using a magnetic field.
‘Because the microtubes are made mainly from human protein, they are safe for medical use,’ says Komatsu. ‘We are now considering how to use them in the body.’ The team would also like to adapt the system to remove other toxic bacteria.
The tube is just the right size to trap E. coli
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