Development of bioelectronic nose using nanovesicle and olfactory receptor-derived peptide

Abstract

후각은 외부 환경을 인지는 중요한 감각이며 많은 연구진에서 후각 기능을 모사하는 장치들을 개발하여 이를 활용하고자 연구되어 왔다. 대부분의 인공 후각 장치는 휘발성 화학물질에 반응하는 센서들로 이루어지고, 특정 화학물질에 반응하는 센서들의 조합으로 냄새를 인지한다. 하지만 기존의 전자 장치들은 낮은 민감도와 선택도로 인하여 실질적인 활용이 어렵다. 그리하여 바이오 전자코라 하는 새로운 개념의 센서가 개발되었다. 냄새물질의 1차적 검지를 위하여 생체물질을 이용하는 센서들을 바이오 전자코라 부르며, 이는 1차 신호변환기와 2차 신호변화기로 이루어진다. 1차 신호변환기는 후각수용체와 같은 생체물질이며, 냄새물질을 인지하는 역할을 한다. 2차 신호변환기는 1차 신호변환기에서 만들어진 생체 신호를 우리가 검지할 수 있는 신호로 변환하는 역할을 한다. 본 연구에서는 후각수용체를 이용한 바이오 전자코를 개발하였다. 후각수용체는 G 단백질 결합 수용체이며, 사람은 390여종의 수용체를 지닌다. HEK-293 세포에서 후각수용체를 발현하였고, 이를 후각 수용체의 기능을 밝히는데 활용하였다. 특별히, 폐암 진단용 마커 물질을 인지하는 후각수용체를 찾아 활용하였다. 세포는 후각 신경세포의 기능을 잘 모사할 수 있지만 큰 크기 때문에 나노소자 기반의 센서 플랫폼과 결합되기 어렵다. 따라서 세포를 대체하기 위한 세포 유래 나노베지클을 생산하였다. 나노베지클의 경우 세포 신호전달 과정에 필요한 모든 세포막 단백질과 세포질 물질을 포함하고 있기 때문에 세포를 대신하여 활용될 수 있다. 후각 수용체를 지닌 나노베지클을 단일벽 탄소나노튜브 트랜지스터에 고정화하여 바이오 전자코를 개발하였다. 냄새물질은 나노베지클의 세포막에 존재하는 후각수용체와 결합하고, 이는 세포 신호를 만드는 시작점이 된다. 나노베지클에서 만들어진 세포 신호는 탄소나노튜브 트랜지스터를 통하여 전기 신호로 변환되고, 이러한 원리를 통하여 폐암 진단용 지시물질을 높은 민감도와 선택도로 검지한다. 후각 수용체는 매우 높은 선택도를 지니고 있어, 특이적 냄새물질을 선택적으로 검지할 수 있다. 이러한 특성을 활용하여 식품의 질을 판별하는 바이오 전자코를 개발하였다. 식품 부패로 생성되는 냄새물질을 특이적으로 인지하는 후각수용체를 이용하였다. 후각수용체를 지닌 나노베지클을 탄소나노튜브 트랜지스터에 고정화하였다. 이러한 센서는 부패한 우유에서 식품 신선도 표지물질을 전처리 없이 쉽고 빠르게 검지한다. 나노베지클 기반의 바이오 전자코는 민감도와 선택도 측면에서 매우 훌륭한 특성을 지닌다. 하지만 낮은 안정성으로 인하여 실제 산업에서 활용하기 어렵다. 낮은 안정성은 세포 신호전달과정에 필요한 ATP와 같은 물질들의 불안정성에서 비롯한다. 나노베지클의 안정성을 개선하기 위하여 신호전달 과정을 조작하였다. 칼륨 채널을 후각수용체 말단에 인위적으로 결합함으로써 ATP 없이 세포 신호를 만들 수 있는 시스템을 개발하였다. 이는 실제로 나노베지클의 안정성을 크게 향상시켰다. 후각수용체 단백질은 3차원 구조를 이루기 위하여 지질막을 필요로 한다. 하지만 후각수용체에서 유래한 펩타이드 수용체는 3차원 구조를 필요로 하지 않기에 지질막이 없는 상태에서도 후각수용체와 같은 작용을 할 수 있다. 본 연구에서는 후각수용체에서 유래한 펩타이드 수용체와 탄소나노튜브 트랜지스터를 이용하여 해산물의 신선도를 측정하는 바이오 전자코를 개발하였다. 펩타이드 수용체는 해산물 부패를 나타내는 지시물질을 선택적으로 감지한다. 이러한 바이오 전자코는 해산물 부패 지시물질을 높은 민감도와 선택도로 검지할 수 있고, 실제 부패한 해산물에 존재하는 지시물질들 또한 전처리 없이 쉽고 빠르게 검출할 수 있다. 또한, 기체상태의 냄새물질 또한 쉽게 검지할 수 있다. 질병진단, 환경 모니터링, 식품 안전성 판별 등 다양한 분야에서 바이오 전자코를 활용할 수 있다. 본 연구에서 나노베지클과 펩타이드 수용체를 이용한 바이오 전자코를 개발하기 위한 연구 과정을 제시하였고, 바이오 전자코의 실질적 활용 가능성을 증명하였다.