[논문]식품 평가를 위한 후각수용체 기반의 바이오 전자코

임종현; 박태현

doi:10.23093/fsi.2012.45.3.23

문제 정의

이러한 원리의 수정진동자저울은 1999년 황소개구리에서부터 분리한 후각수용체를 이용하여 냄새물질을 검지하는 연구로부터 바이오 전자코 분야에 활용될 수 있음이 증명되었다(10). 그 연구에서는 후각수용체를 코팅한 수정진동자가 냄새물질에 대해 특이적 반응을 나타낸다는 것을 밝혔다. 이후, 대장균에서 발현한 후각수용체를이 용하여 수정진동자저울 기반 바이 오전자코를 개발하였다.
이렇게 바이오 전자코는 사람의 코와 같이 매우 민감하게, 그리고 매우 선택적으로 냄새를 인지한다. 본 연구에서는 1차 신호변환기인 후각수용체 단백질의 발현 방법과 여러 종류의 2차 신호변환기에 적용된 예를 살펴보고, 식품안전성 평가를 위한 바이오 전자코의 활용 가능성을 제시한다.

가설 설정

후각수용체와 전도성 고분자나노튜브 기반의 바이오 전자코 구조.(a) 전도성 고분자나노튜브 플랫폼에 후각수용체를 고정화하는 과정. (b) 기체상의 냄새물질을 검출하기 위한 표준가스 생성 시스템.
그림 3. (a) 탄소나노튜브기반 전계효과 트랜지스터 위에 나노베지클을 고정화하는 과정. (b) 바이오 전자코의 작동원리.

제안 방법

개의 후각수용체인 cfOR5269단백질을 HEK-293 세포에서 발현한 후, cytochalsin B를 이용하여 나노베지클을 제작하였다. 그 나노베지클을 그림3(a)의방법을 따라 탄소나노튜브 기반 전계효과 트랜지스터 위에 고정화하였고, 나노베지클에서 일어나는 세포 신호전달체계를 전계효과 트랜지스터로 검출하였다. 나노베지클의경우 후각 신호전달체계를 모사할 수 있기 때문에 냄새물질 자극에 의하여 칼슘이온이 베지클 내로 유입된다(그림 3(b)).
이후, 대장균에서 발현한 후각수용체를이 용하여 수정진동자저울 기반 바이 오전자코를 개발하였다. Caenorhabditis elegans의 후각수용체 중 하나인 ODR-10을 대장균에서 발현하였고, 이를수정 진동자 칩에 고정화하였다. ODR-10은 diacetyl이란 냄새물질을 선택적으로인지한다 알려져있었고, 실제로diacetyl의 농도를 정량적으로 측정할 수 있음과 다른 냄새물질들 중에서 diacetyl만을 선택적으로 구분할 수 있음을 증명하였다(11).
표면 플라즈몬 공명기는세포기반 바이오 전자코 개발에도 활용되었다. ODR 10을 발현하는 HEK-293 세포와 rORI7을 발현하는 HEK-293 세포를 칩 위에 배양하고, 냄새물질 자극에 의하여 일어나는 세포신호 전달을 표면 플라즈몬 공명기로 측정하였다(15, 16). 그 결과, diacetyl과 octanal을 농도 의존적으로 검출할 수 있음을 증명하였다.
이러한 방식으로 hexanal을 1 fM 농도까지 검출하였다. 또한, hexanal과 구조적으로 매우 비슷한 여러 물질들 중에서 hexanal만을 선택적으로 검지하였다. 나아가, 이 바이오 전자코를 활용하여 그림 4에서와 같이 실제 상한 우유의 부패 정도를 구분하여 바이오 전자코가 식품 신선도 측정에 직접 활용될 수 있음을 증명하였다.
이 원리를 이용하여 표면 플라즈몬 공명기를 바이오 전자코 개발에 활용하였다. 먼저 표면 플라즈몬 공명 칩 위에 효모균에서 발현한 rORI7을 고정화하여 octanal을 검출하는 시스템을 개발하였다(13). 이 연구에서는 후각수용체가 냄새물질과 결합할 때 나타나는 Gα단백질의 탈착을 측정하여 냄새물질을 검출하였다.
그림 4. 바이오 전자코를 이용한 상한우유의 부패도 측정. 후각수용체를 가진 바이오 전자코의 경우 우유의 상한 일수가 증가할 수록 신호의 세기가 증가하지만, 후각수용체가 없는 경우 아무런 영향을 받지 않는다.
이펩티드 말단에 있는 시스테인(cysteine)은 금 표면을 가진 수정진동자저울 칩에 펩티드 가자가 조립으로 코팅되도록 유도한다. 사용된펩티드는 1-hexanol과 특이적으로 결합하였고, 그림 5와 같은 기체상의 냄새물질을 분석할 수 있는 장치를 통하여 1-hexanol 농도를 정량적으로 판별하였다. 이러한 방식의 바이오 전자코는 후각수용체 모사펩티드뿐 아니라, 초파리의 냄새물질 결합단백질(odorant binding-protein)인 LUSH의 특정 펩티드 서열를 이용할 수도 있었다.
수정진동자저울은 다음과 같은 원리로 작동한다. 수정진동자 표면을 화학물질이나 생체물질로 코팅을 하고, 공명진동수를 측정한다. 그 상태에서 타겟 가스를 처리하여 수정진동자 표면과의 흡착을 유도한다.
이 연구에서는 후각수용체가 냄새물질과 결합할 때 나타나는 Gα단백질의 탈착을 측정하여 냄새물질을 검출하였다.
이 때, 표면 매우 가까이에서 특정 물질이 흡착하면 금속의 전자운이 영향을 받아 표면에서의 반사율이 변한다. 이 원리를 이용하여 표면 플라즈몬 공명기를 바이오 전자코 개발에 활용하였다. 먼저 표면 플라즈몬 공명 칩 위에 효모균에서 발현한 rORI7을 고정화하여 octanal을 검출하는 시스템을 개발하였다(13).
칼슘이온에 의한 세포의 전하량 변화는 평판 미세전극을 통하여 전기적 신호로 변환되어 냄새물질을 검출하게 된다. 이러한 방식으로 rORI7을 발현하는 HEK-293 세포를 이용하여 octanal을 농도의존적으로 검출하였다(17). 게다가, 그 신호는 전기 자극을 통하여 증폭될 수 있음을 밝혀 세포기반의 바이오 전자코 개발 가능성을 증명하였다(18).
그 연구에서는 후각수용체를 코팅한 수정진동자가 냄새물질에 대해 특이적 반응을 나타낸다는 것을 밝혔다. 이후, 대장균에서 발현한 후각수용체를이 용하여 수정진동자저울 기반 바이 오전자코를 개발하였다. Caenorhabditis elegans의 후각수용체 중 하나인 ODR-10을 대장균에서 발현하였고, 이를수정 진동자 칩에 고정화하였다.

대상 데이터

기존의 전자코 시스템보다 효과적인 hexanal 검출을 위하여 바이오 전자코 시스템이 활용되었다(30). 개의 후각수용체인 cfOR5269단백질을 HEK-293 세포에서 발현한 후, cytochalsin B를 이용하여 나노베지클을 제작하였다. 그 나노베지클을 그림3(a)의방법을 따라 탄소나노튜브 기반 전계효과 트랜지스터 위에 고정화하였고, 나노베지클에서 일어나는 세포 신호전달체계를 전계효과 트랜지스터로 검출하였다.
따라서, 이러한 냄새물질을 민감하게 검출할 수 있다면 살모넬라 오염을 조기검출 할 수 있을 것이다. 이를 위하여 후각수용체 OR744의 기능을 모사하는 펩티드(peptide)를 디자인하였다(32). 이펩티드 말단에 있는 시스테인(cysteine)은 금 표면을 가진 수정진동자저울 칩에 펩티드 가자가 조립으로 코팅되도록 유도한다.

이론/모형

하지만, 전자코 시스템은 실제후각시스템만큼 민감하거나 선택적이지 못하기 때문에 근본적인 한계를 지니고 있다. 기존의 전자코 시스템보다 효과적인 hexanal 검출을 위하여 바이오 전자코 시스템이 활용되었다(30). 개의 후각수용체인 cfOR5269단백질을 HEK-293 세포에서 발현한 후, cytochalsin B를 이용하여 나노베지클을 제작하였다.
세포기반의 바이오 전자코 개발을 위하여 평판 미세전극이 활용되었다. 평판 미세전극을 패터닝한 칩 위에 후각수용체를 발현하는 세포를 배양한다.
그래서, 식품의 살모넬라 오염을 쉽고 빠르게 검출하기 위한 바이오 전자코 개발 연구가 진행되었다. 식품에 살모넬라균이 감염되었을 때 특이적으로 발생하는 냄새물질을 기체크로마토그래피 방식으로 분석하였다(31). 그 때, 3-methyl-1-butanol과 1-hexanol과 같은 알코올류 냄새물질의 농도가 특이적으로 증가하는 것이 밝혀졌다.

성능/효과

ODR 10을 발현하는 HEK-293 세포와 rORI7을 발현하는 HEK-293 세포를 칩 위에 배양하고, 냄새물질 자극에 의하여 일어나는 세포신호 전달을 표면 플라즈몬 공명기로 측정하였다(15, 16). 그 결과, diacetyl과 octanal을 농도 의존적으로 검출할 수 있음을 증명하였다. 표면 플라즈몬 공명기의 경우 단백질 기반과 세포 기반 바이오 전자코 모두에서 활용될 수 있는 시스템이지만 상대적으로 높지 않은 민감도를 지니고 있어 한계가 존재한다.
또한, hexanal과 구조적으로 매우 비슷한 여러 물질들 중에서 hexanal만을 선택적으로 검지하였다. 나아가, 이 바이오 전자코를 활용하여 그림 4에서와 같이 실제 상한 우유의 부패 정도를 구분하여 바이오 전자코가 식품 신선도 측정에 직접 활용될 수 있음을 증명하였다.

후속연구

이와 같은 방식으로 각 식품이 부패할 때 특이적으로 생성되는 냄새물질들이 다르고, 그 냄새물질들이 작용하는 후각수용체가 다르다. 따라서, 식품에 따라 부패시 발생하는 냄새물질의 종류를 분석한 후, 그 냄새물질를 인지하는 바이오 전자코를 개발한다면 우리가 냄새를 맡아 식품 부패를 구분하는 것과 동일하게 바이오 전자코가 음식 부패를 구분하며 부패의 정도를 정량적으로 표현할 것이다.
그 때, 3-methyl-1-butanol과 1-hexanol과 같은 알코올류 냄새물질의 농도가 특이적으로 증가하는 것이 밝혀졌다. 따라서, 이러한 냄새물질을 민감하게 검출할 수 있다면 살모넬라 오염을 조기검출 할 수 있을 것이다. 이를 위하여 후각수용체 OR744의 기능을 모사하는 펩티드(peptide)를 디자인하였다(32).
이 바이오 전자코는 살모넬라 오염으로 인해 발생하는 냄새물질인 3-methyl-1-butanol과 1- hexanol을 정량적으로 검출할 수 있었다. 비록 이 연구들에서 살모넬라균이 오염된 실제 식품에서 생성되는 냄새를 검출하진 못하였지만, 바이오 전자코가 미생물에 의하여 오염된 식품의 질을 판별하는데 활용될 수 있음을 보여주었다.
그리고, 바이오 전자코를 개발한 기술력을 바탕으로 인간의 쓴맛 수용체인 hTAS2R38을 이용한 바이오 전자혀가 개발된 사례가 있다(8). 이러한 바이오 전자혀 또한 식품의 질을 판별하기 위하여 바이오 전자코와 상호보완적인 역할을 담당하며 활용될 수 있을 것이다.
앞서 살펴본 바와 같이 식품의 질을 판별하기 위하여 바이오 전자코를 이용하고 하는 연구가 진행되고 있다. 이러한 연구는 식품 변질을 조기 판별하고, 변질의 정도를 정량적으로 평가할 수 있도록 만들어 줄 것이다. 지금까지의 연구 개발 사례를 넘어 앞으로 더욱 다양한 식품 산업에서 바이오 전자코가 활용될 수 있을 것이다.
하지만, 대부분의 검출기법은 많은 시간을 필요로 하거나 독소물질 자체를 검출하기 때문에 조기 검출이 원천적으로 불가능하다. 이러한 점에서 볼 때, 바이오 전자코를 통한 식품 오염의 판별법은 식품 산업에서 크게 활용될 수 있을 것이다.
위에서와 같이 살모넬라균은 식품에서 3-methyl-1-butanol과 1-octanol과 같은 냄새를 생성하는 반면, 곡류에서 번식하는 곰팡이는 1- octen-3-ol을 특이적으로 생성한다(37). 이렇게 식품의 종류에 따라, 그리고 미생물의 종류에 따라 다양한 냄새물질들이 생성되기 때문에 이를 바이오 전자코를 이용하여 구분하고 민감하게 검출할 수 있다면 식품 오염을 빠르고 간편하게 판별할 수 있을 것이다. 특별히, 식품 오염의 경우는 무엇보다 미생물에 의한 독소물질이 형성되기 전에 오염을 조기 검출하는 것이 중요하다.
이러한 연구는 식품 변질을 조기 판별하고, 변질의 정도를 정량적으로 평가할 수 있도록 만들어 줄 것이다. 지금까지의 연구 개발 사례를 넘어 앞으로 더욱 다양한 식품 산업에서 바이오 전자코가 활용될 수 있을 것이다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	2차 신호변환기는 바이오 전자코에서 어떤 역할을 하는가?	바이오 전자코는그림1과 같이 1차 신호변환기(primary transducer)에해당하는후각수용체와 2차 신호 변환기(secondary transducer)에 해당하는 센서 플랫폼이 결합한형태이다. 후각수용체 단백질은 냄새물질을 선택적으로 인지하는 역할을 담당하고, 2차 신호변환기는 냄새물질이 후각수용체와 결합하여 발생하는 신호를 증폭하고 변환하는 역할을 한다. 이렇게 바이오 전자코는 사람의 코와 같이 매우 민감하게, 그리고 매우 선택적으로 냄새를 인지한다.
	바이오 전자코는 무엇으로 구성된 형태를 하고 있는가?	바이오 전자코는그림1과 같이 1차 신호변환기(primary transducer)에해당하는후각수용체와 2차 신호 변환기(secondary transducer)에 해당하는 센서 플랫폼이 결합한형태이다. 후각수용체 단백질은 냄새물질을 선택적으로 인지하는 역할을 담당하고, 2차 신호변환기는 냄새물질이 후각수용체와 결합하여 발생하는 신호를 증폭하고 변환하는 역할을 한다.
	식품의 질을 평가하는 바이오 전자코 시스템은 어떤 문제를 해결하기 위한 대안으로 개발되었는가?	인간은 후각 시스템을 통하여 본능적으로 좋은 질의 식품을 판별할 수 있다. 하지만 인간의 후각은 초기 단계의 식품 변질을 판별할 수 있을 만큼 민감하지 못하고, 또한 변질의 정도를 객관적으로 인지할 수 없다. 이러한 문제를 해결하기 위한 대안으로 인간의 후각을 모사한 바이오 전자코 시스템이 개발되었다.

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