초록 ▼

박테리아성 바이오필름(biofilm)에 관한 연구가 환경 및 의약 분야의 적용 가능성으로 인해 최근 각광을 받고 있다. (Kohusova et al., Environ. Monitoring & Assess., 2011) 박테리아는 주어진 환경에 쉽게 적응하기 때문에, 바이오필름은 자연 환경 뿐만 아니라 수분이 있는 곳이라면 어디든지 형성될 수 있다. (Flemming et al., Water Sci & Tech., 1993) 예를 들어, 수도관이나 하수 처리장과 같은 산업 시설로부터 인체 내부의 장기까지도 침투할 수 있으며, 이는 원

박테리아성 바이오필름(biofilm)에 관한 연구가 환경 및 의약 분야의 적용 가능성으로 인해 최근 각광을 받고 있다. (Kohusova et al., Environ. Monitoring & Assess., 2011) 박테리아는 주어진 환경에 쉽게 적응하기 때문에, 바이오필름은 자연 환경 뿐만 아니라 수분이 있는 곳이라면 어디든지 형성될 수 있다. (Flemming et al., Water Sci & Tech., 1993) 예를 들어, 수도관이나 하수 처리장과 같은 산업 시설로부터 인체 내부의 장기까지도 침투할 수 있으며, 이는 원활한 급수 및 배수를 방해하거나 감염의 부작용을 일으킬 수 있으므로 바이오필름의 억제, 해산 및 방제가 필요하다. (Palmer et al., J. Indust. Microbiol. Biotech., 2007) 뿐만 아니라, 바이오필름을 하수 처리 과정에 유기물 필터로 사용하는 등 산업 공정에 이용하기 위해서는 그 특성을 정교하게 조절할 필요가 있다. 상황에 맞춰 바이오 필름의 형성을 유도하거나 억제하고 제어하는 기술은 광범위하게 응용될 수 있다.
바이오필름은 미생물의 군집체로 세포외 다량체 기질(extracellular polymeric substances, EPS) 이라는 분비된 기질(self-secreted matrix) 속에 막의 형태로 형성된다. (Stewart and Franklin, Nat. Rev. Micriobiol., 2008) 3차원적 구조물인 바이오필름은 미생물이 생활할 수 있는 미세 환경 (microenvironment)을 구축하고 미생물을 보호하는 역할을 하며 EPS 내에서의 확산(diffusion) 현상을 통해 미생물이 살아가는데 필요한 산소 및 영양분을 공급한다 (Flemming et al., J. Bacteriol., 2007). 바이오필름 형성과 제어를 위해서는 먼저 이 미세 환경을 구축하고 제어하여야 한다.
본 과제는 바이오필름의 형성 제어 및 방제를 가능하게 하는 시스템 구현을 위한 기술 개발을 목표로 한다. 이에 따라 본 연구팀은 먼저 물리적으로나 화학적으로 제어가 용이하며 적은 양으로도 실험이 가능한 미세 유체 시스템(microfluidic system)을 디자인 및 개발하고자 한다. 미세 유체 시스템 디자인 및 개발과 미세 유체 시스템 내의 바이오필름 형성법 개발을 시작으로 2차 년도에는 미세 유체 시스템 최적화, 물리적, 화학적 요소의 적용으로 바이오필름 형성 제어 및 방제 방법을 개발하려 한다. 이 미세 유체 시스템을 사용하여 보다 현실적인 3차원적 바이오 필름의 형성에 필요한 다양한 물리적 혹은 화학적인 요소들을 밝히고, 더 나아가, 주어진 환경에서 바이오필름이 어떻게 형성될지 체계적으로 예측할 수 있기를 기대한다. 자연에서 바이오필름이 다양한 환경에서 존재하듯이 다양한 조건에서 바이오 필름을 형성시키고 그 과정을 이미징(imaging)을 통해 모니터링(monitoring)한 후 3차원적 바이오필름 분석을 통해 효과적이고 체계적인 바이오필름의 형성, 제어, 제거 방법을 개발하고자 한다.
이와 같은 연구계획에 따라 본 연구는 현재 첫 4 개월차 연구를 완료 중이며, 처음 1 년차 동안의 연구내용으로 제안되었던 미세 유체 소자 디자인 개발 및 바이오필름 형성법 개발을 진행하였다. 미세 유체 소자의 디자인은 기존의 평평한 바이오필름 형성 모사를 위한 디자인을 기반으로 하이드로겔을 사용하는 삼차원 바이오필름 미세환경 모사를 가능하게 하도록 고안하였으며 이를 바탕으로 2 차년도에는 유동과 화학 요소 분포 제어를 위한 디자인을 최적화 할 것이다. 또한 미세 유체 소자 내에서의 바이오필름 형성을 위해 기존 박테리아 세포 컬쳐 방법을 적용하여 미세 유체 소자 주입용 프로토콜을 개발하였으며 박테리아 세포의 장단기 컬쳐를 위한 최적화 프로토콜을 개발 할 것이다. 미세 유체 소자의 초기 디자인을 이용한 프로토타입의 마스터를 제작하여 미세 유체 소자 공정과정을 확립하였고 공정된 미세 유체 소자에 박테리아를 주입하여 바이오필름 형성의 초기 단계인 미세 유체 소자 내에서의 세포 흡착 현상이 나타나는 것을 확인하였다. 마지막으로 바이오필름의 삼차원적 생장 과정을 모델링을 통해 구현할 수 있도록 기존 모델의 한계를 파악하고 개체 기반 법을 필두로 하는 모델법을 고안하였다. 2 차년도에는 바이오필름의 투과성을 고려한 생장 과정 모델링을 실험과 병행함으로 상호보완적인 바이오필름의 삼차원적 형성 제어 및 방제법 개발을 목표로 한다.

연구결과
Category in EEWS
Record
세계최고기록
측정기준과 수준
*channel diameter: 100nm-1mm
*Flow rate: 10nl/min-170μl/min

Record
KAIST의 초기기록
측정기준과 수준
*channel diameter: 100μm-1mm
*Flow rate: 500 nl/min-10 μl/min

Record
최종 목표치(2015)
측정기준과 수준
*channel diameter: 10μm-1mm
*Flow rate: 500 nl/min-100 μl/min

Record
달성된결과치(2015)
측정기준과 수준
*channel diameter: 50μm-1mm
*Flow rate: 500 nl/min-10 μl/min

Abstract ▼

In recent years, researchers have noted the importance of bacterial biofilm research for its application in environmental and medical fields (Kohusova et al., Environ. Monitoring & Assess., 2011). Since bacteria can readily adapt to the given environment, biofilm can be formed in natural environment

In recent years, researchers have noted the importance of bacterial biofilm research for its application in environmental and medical fields (Kohusova et al., Environ. Monitoring & Assess., 2011). Since bacteria can readily adapt to the given environment, biofilm can be formed in natural environment or anywhere that is hydrated (Flemming et al., Water Sci & Tech., 1993). For example, biofilm may be formed in industrial setting such as water pipeline, waste water treatment system, or in human organs. Because these undesired formation of biofilm may lead to the negative effects ranging from clogging to infections, it is important to understand the governing mechanisms in the formation of biofilm process, in order to be able to control, disperse and prevent it (Palmer et al., J. Indust. MIcrobiol. Biotech., 2007). Furthermore, the delicate control of biofilm formation process is necessary to use biofilm during the organic filtering process in wastewater treatment. Therefore, being able to fine tune the formation and suppression of biofilm can lead to the development of numerous applications, depending on the necessary conditions.
Biofilm is a colony of microorganisms in a thin film form, and it is enclosed in a self-secreted matrix called, extracellular polymeric substances (EPS) (Stewart and Franklin, Nat. Rev. Micriobiol., 2008). The microenvironment of biofilm exists as a three dimensional structure, and it provides protection and support for the microorganisms of a biofilm through diffusion of oxygen and nutrients in the EPS (Flemming et al., J. Bacteriol., 2007). Proper mimicking of the microenvironment as well as its control is crucial for forming and controlling the biofilm.
This research aims to develop a system that enables biofilm formation control and prevention. Thus, we plan to design and develop a microfluidic system that allows a precise control of physical and chemical cues. The project may start with designing the microfluidic system and forming biofilm in microfluidics, and will continue in optimizing application of physical and chemical cues for biofilm formation control during the 2^nd year. Doing so, different physical and chemical cues responsible for the formation of biofilm will be identified, and the final goal of predicting the formation of biofilm in a given environment may be achieved. Moreover, we will be able to form biofilm under various conditions, similar to how biofilm exists in a diverse environment naturally. Finally, the entire process will be monitored and analyzed through different imaging techniques such that effective and systematic methods for biofilm formation, removal and prevention control will be developed.
This research has been launched and conducted for last four months based upon these research aims. Microfluidic chip design and development of a biofilm formation method proceeded, as was proposed for the 1^st year. Microfluidic chip design was improved from a conventional and flat design to mimic biofilm formation, and hydrogel is used to replicate three-dimensional biofilm microenvironment. Moving forward, design to control fluid flow and distribution of chemical elements will be optimized during the 2^nd year. Moreover, a traditional bacteria culture method was applied to biofilm formation in a microfluidic chip, and protocol for injection onto a microfluidic chip was developed. Using these techniques, an optimal protocol for culture of bacteria in the short and long term will be developed. We fabricated a prototypical master to be used initial design of a microfluidic chip, which established a process of fabrication. After injected bacteria onto a processed microfluidic chip, cell adhesion to the microfluidic surface have been confirmed. Finally, we found limitations of conventional models of biofilm growth, and devised a model method for using individual-based model in order to replicate three-dimensional growth process of biofilm. In the following year, we aim to develop a complementary method to control and prevent biofilm formation by combining biofilm growth modeling with experiments.

Research Results
Category in EEWS
Record
World Record
Metric standard and Level
*channel diameter: 100nm-1mm
*Flow rate: 10nl/min-170μl/min

Record
Metric standard and Level
*channel diameter: 100μm-1mm
*Flow rate: 500 nl/min-10 μl/min

Record
Target Record(2015)
Metric standard and Level
*channel diameter: 10μm-1mm
*Flow rate: 500 nl/min-100 μl/min

Record
Achieved Record(2015)
Metric standard and Level
*channel diameter: 50μm-1mm
*Flow rate: 500 nl/min-10 μl/min