광학기술을 이용한 식중독균 검출방식
[한국뉴스투데이 신주영, 전주호기자] 안전한 식품 소비를 원하는 소비자들의 요구로 식중독균 신속 검출에 대한 관심이 커지고 있다. 식중독 감염은 우리 주변에서 흔하게 접하는 이야기이지만, 최근 미국에서는 여러 주에서 동시에 발생하는 경우가 많아 관심이 집중되고 있다.기존에 사용하는 식중독균 검출 방식은 오염된 식재료에서 유기물을 추출하여 배지에 올린 후 24시간 이상을 배양시킨다. 이때 박테리아들이 큰 군락을 이루는데, 여기서 의심되는 몇 개의 박테리아 군락을 떠서 중합효소연쇄반응 등의 방법을 이용하여 박테리아 종류를 알아내는 것이다.
PCR은 의심되는 박테리아의 DNA 일부만을 시험관 내에서 증폭시켜 오염된 식중독 세균을 알아내는 것으로, 식품에 오염된 식중독 세균을 확인하는 가장 우수한 방법으로 알려져 있다.
그러나 이 방법은 죽은 식중독 세균과 살아 있는 식중독 세균을 분리하지 못하고, 한번 사용하는 데 지불해야 하는 비용이 비싸다는 특징이 있다. 또한 이런 전통적인 방식은 반복적이고 시간이 오래 걸리며, 실험자의 개인적인 능력에 따라 조금씩 다른 결과를 얻게 된다.
광학기술을 이용한 식중독균 검출방식
최근에 개발 중인 식중독균에 대한 신속한 검출 기술은 배지에서 배양된 식중독 세균을 정확하고 일정한 패턴으로 검출하거나, 배지에 세균을 배양하지 않고 오염된 식품에서 추출한 미생물의 세균만을 골라 원인세균을 검출하는 방식으로 개발되고 있다. 주로 광학기술이 사용되는데, 빠르고 비용이 저렴하며 개발된 모델을 적용하는 데 용이하다는 장점이 있기 때문이다.
초분광이미지분석기술은 원격탐사에서 많이 사용하는 기술이다. 농업에서 의료, 군사 부문까지 다양하게 적용되는 이 기술이 최근에는 식중독 세균 검출에도 사용되고 있다.
세균 검출에 사용되는 초분광영상시스템은 400~2,500nm의 가시 및 근적외선 파장을 이용하여 각 파장별로 사진을 찍을 수 있다. 이렇게 찍은 사진에서 다양한 이미지 프로세싱 기술을 이용하여 배지에서 배양한 세균의 외곽선을 분할한다. 분할된 세균 이미지에서 스펙트럼을 추출하여 오염원 세균의 특징을 찾아내고, 예측 모델을 개발하여 다른 세균과 분리한다. 초분광이미지는 스마트폰 카메라나 디지털 카메라로 촬영한 사진과 다른 점이 있다.
흔히 사용되는 디지털 카메라로 촬영한 칼라 사진은 RGB, 즉 red(650nm), green(510nm), blue(475nm)의 세 가지 빛의 파장으로 이루어진 이미지다. 그래서 RGB 이미지는 파장이 단 3개로 이루어진 상태에서 보이는 정보만을 사용할 수밖에 없다. 반면에 400~2,500nm의 파장으로 이루어진 초분광이미지의 경우, 사용된 초분광영상시스템의 분해능이 1nm라면 픽셀마다 2,100개의 파장을 가지고 있다는 말이 된다. 즉, 초분광이미지는 하나의 6면체 데이터 덩어리가 되는 셈이다.
과학자들은 이 초분광이미지에서 눈으로 볼 수 있는 RGB 영상뿐 아니라 눈으로 볼 수 없는 다양한 유기물 분자의 분석을 수행할 수 있게 된다. 초분광영상시스템을 이용하여 유기물 분석이 가능한 이유는 근적외선 때문이다.
700~2,500nm의 파장 영역을 ‘근적외선’이라고 하는데, 이 파장의 빛은 우리 눈으로 볼 수 없다. 그러나 이 파장의 빛을 어떤 유기물질에 조사를 하면 이 대역에서 일부 파장은 흡수되고 일부는 반사 혹은 투과되는 것을 확인할 수 있다. 이때 흡수된 파장을 그 유기물질의 ‘지문영역’이라고 부른다.
과학자들은 이 지문영역을 확인해서 표적분자를 찾아낸다. 하지만 근적외선은 온도·습도나 먼지, 진동 등의 외부 조건에 상당히 민감하게 반응하기 때문에 많은 노이즈를 포함하고 있다.
또한 여러 유기물질로 구성된 농산물이나 식품 또는 세균의 경우, 여러 지문영역이 혼합되어서 찾고자 하는 표적분자의 유무 여부를 선명하게 찾지 못하는 경우가 많다. 이런 문제를 해결하기 위해 스펙트럼을 분석하는 다양한 수학·통계 모델들이 연구, 개발되고 있다.
하지만 근적외선만을 사용하면 표적분자의 유무 또는 농도 등을 알아낼 수는 있지만, 표적분자나 유기물질이 어디에 위치해 있는지 알아내기는 힘들다.
초분광영상시스템은 영상 정보를 각 파장별로 획득하기 때문에 각 위치별 분석이 용이하다. 따라서 초분광영상시스템을 이용하여 식중독 세균을 검출하는 기술이란, 이런 예측 모델을 이용하여 표적세포의 유무 여부 또는 세포의 위치나 개체 수를 알려주는 기술을 말한다.
미국 농무부 산하 ARS에서는 초분광영상분석기술을 이용하여 닭에 묻은 오염원을 검출하는 기술을 개발했다. 닭을 가공하는 과정에서 세척 후에도 남아서 일반적인 CCD 영상으로는 판별할 수 없는 오염원들을 찾는 기술 및 닭에서 추출한 오염원들 중에서 찾고자 하는 식중독 세균을 신속히 검출하는 기술이다.
산란된 가시 및 근적외선은 현미경, 공초점 분광기를 이용하여 검출할 수 있다. 광학현미경은 싼 가격에 쉬운 작동법으로 많이 사용되는 광학기기다.
세균은 보통 배지에 하루 이상 배양해야 눈으로 볼 수 있는 콜로니를 형성하는데, 초분광 현미경 분광기를 사용하여 24시간 이전에 표적세포의 데이터를 획득할 수 있게 되었다. 보통 8~10시간이면 현미경을 이용해 단일세포의 형태를 확인할 수 있다.
배지에서 배양한 식중독 세균을 검출하는 기술 중에는 탄성 산란 패턴을 이용하는 기술이 있다. 식중독 세균들을 배지 안에서 24시간 동안 배양하면 눈에 보일 만큼 여러 군락을 이루는데, 이것을 콜로니라고 한다.
콜로니의 크기는 다양하지만, 직경이 대략 2~3㎜이면 눈으로도 쉽게 확인이 된다. 퍼듀 대학에서는 각 세균의 콜로니가 가진 특징적인 문양을 탄성 산란 영상을 이용하여 측정하며 이를 세균 검출에 적용하였다.
여기에 소개할 기술은 표면증강 라만 분석법 이다. 라만 분광분석법은 인도의 라만 경에 의해 발견된 라만 산란을 이용하는 분광분석법이며, 1930년 라만 경은 이 현상을 발견한 것으로 노벨물리상을 수상했다.
라만 산란은 입사되는 빛의 에너지가 변화하지 않고 출력되는 탄성 산란과 달리, 적거나 많은 비탄성 산란으로 빛이 입사된 분자체의 진동전이를 통하여 조사된 빛과는 파장이 조금 다른 빛이 발생한다.
따라서 라만 산란을 이용하면 특정 분자체만 가지는 지문파장을 찾을 수 있게 된다. 하지만 이러한 라만 산란의 가능성에도 불구하고 최근까지 낮은 재현성과 약한 신호 탓에 상용화되지 못하고 있었다.
표면증강 라만 분석법은 특별히 준비된 금속 표면에 산란된 특정 파장의 신호가 증폭되도록 하는 기술이다. 일반적으로 104~106의 세기를 가졌던 라만 신호는 금속 표면에 흡착된 분자체에 조사되면 108~1014까지 증폭할 수 있게 되며, 또한 라만 산란에서는 확인할 수 없는 금속 표면과 분석하고자 하는 물질의 다양한 표면 상호작용을 SERS에서 관찰할 수 있다.
나노기술의 발전으로 다양한 나노기술을 이용하여 금속 표면 대신에 금속 나노 공이나 막대를 사용하기도 한다. 최근에는 종이에 잉크젯 프린팅 기술을 이용하여 금속 나노 물질을 도포한 실험용 재료가 상용화되어 판매되고 있다.
SERS를 이용해 식중독 세균을 검출할 때의 장점은 세균을 배양하지 않고도 식품에서 추출한 유기물의 세균 중에서 표적 세균이 있는지 검사할 수 있다는 것이다.
최근에는 세균의 DNA를 모사하여 만든 단일가닥 핵산인 압타머(aptamer)를 이용하여 표적분자를 발굴하는 연구가 활발하게 진행 중이다. 압타머는 특유의 친화성과 특이성으로 인해 ‘화학적인 항체’라고 불릴 만큼 항체로서의 활용 가능성도 높은 편이다.
즉, 찾고자 하는 세균의 DNA 일부를 모사하여 그 항체로 만들어진 압타머를 금속 나노 표면에 부착하여 찾고자 하는 DNA를 가진 표적세균을 선택적으로 결박할 수 있는 기술이 연구되고 있으며, 미네소타 대학에서는 오렌지 주스에 있는 탄저균 검출에 성공한 바 있다.
이 기술이 상용화되면 세균의 배양 없이도 언제 어디서나 식품의 안전성 여부를 즉시 파악할 수 있을 것으로 보인다.
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