식품 내 살모넬라균 오염여부를 실시간으로 감지하기 위한 냄새결합단백질 유래 펩타이드 기반의 바이오센서 개발

Abstract

살모넬라균은 식중독을 일으키는 주요 원인 중의 하나로 식품을 통해 사람에게 감염된다. 감염 시 발열, 구토, 설사 등의 증상이 나타나게 되고, 심한 경우 사망에 이르게 된다. 이러한 살모넬라균에 오염된 식품을 감지하기 위해 다양한 방법이 사용되었으나 낮은 민감도로 인해 실효성을 가지기 어려웠다. 본 연구에서는 높은 민감도와 선택도로 살모넬라균에 오염된 식품의 지시물질인 휘발성 유기 화합물 (volatile organic compound, VOC) 3-methyl-1-butanol을 실시간으로 감지할 수 있는 바이오센서를 개발하였다. 지시물질의 선택적 감지를 위해 초파리(Drosophila)의 냄새결합단백질(odorant binding protein) 중 알코올류에 특이적으로 결합한다고 알려져 있는 LUSH 단백질의 결합부위를 구성하는 서열들을 최적화하여 펩타이드를 합성하였다. 이 때, C-말단에 추가적으로 3개의 페닐알라닌(phenylalanine, Phe)을 합성하여 π-π 상호작용으로 탄소나노튜브(carbon nanotube)에 고정이 가능하도록 하였다. 합성된 펩타이드를 단일벽 탄소나노튜브(single walled-carbon nanotube, SWNT) 기반의 전계 효과 트랜지스터(field-effect transistor, FET)에 기능화 하였다. 탄소나노튜브 채널에 펩타이드를 고정한 후 p-type 전계 효과 트랜지스터의 전기적 특성이 유지됨을 확인하였다. 제작된 센서로 3-methyl-1-butanol을 1 fM의 높은 민감도와 선택도로 실시간 감지가 가능함을 확인할 수 있었다. 또한 이를 기반으로 돼지고기 가공 햄 슬라이스를 이용하여 실제 식품에서 살모넬라균 오염여부를 감지할 수 있음을 확인하였다. 따라서 본 연구는 냄새결합단백질 유래 펩타이드로 기능화 한 탄소나노튜브 기반의 바이오센서가 식품오염 조기판별에 활용될 수 있는 가능성을 제시하고 있다.

Salmonella contamination is one of the major causes of food poisoning, where the foodborne illnesses include fever, abdominal pain, diarrhea, and nausea. Various methods were applied to detect the Salmonella-contaminated food, low differentiation efficiency is the bottleneck due to low sensitivity. Thus, we developed a single walled-carbon nanotube (SWNT) - based field-effect transistor (FET) functionalized with odorant binding protein-derived peptide (OBPP) for the detection of Salmonella contamination with high effectiveness. For detection of 3-methyl-1-butanol, which is generated when Salmonella contamination occurs, a peptide was synthesized based on the sequence of Drosophila odorant binding protein

LUSH which has high binding affinity with the alcohol. The C-terminal of synthetic peptide was modified with phenylalanine cluster and then easily immobilized on SWNT channel using π-π stacking interactions. After functionalization of the synthetic peptide on SWNT-FET, the p-type FET properties were clearly maintained in the biosensor. This biosensor detected 3-methyl-1-butanol concentration down to 1 fM with high sensitivity and selectivity in real-time condition. Using those characteristics of the biosensor, contamination of Salmonella in sliced ham was successfully assessed. Thus, the biosensor with the OBPP-functionalized SWNT exhibited a potential novel method in detecting food contamination at an early stage.