보고서 정보
주관연구기관 |
피씨엘(주) |
연구책임자 |
김소연
|
참여연구자 |
이민호
,
김상래
|
보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
|
발행년월 | 2022-08 |
과제시작연도 |
2021 |
주관부처 |
환경부 Ministry of Environment |
등록번호 |
TRKO202300004185 |
과제고유번호 |
1485017693 |
사업명 |
상하수도혁신기술개발사업(R&D) |
DB 구축일자 |
2023-07-19
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키워드 |
DNA항체.농축.DNA antibody.concentration.DBPs.EDCs.USEPA.
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초록
▼
□ 연구개발 목표 및 내용
◼ 최종 목표
○ 수계 미세 미량 미확인 오염물질 신속 검출 프로브 개발
○ 생물학적 오염물 검출기법 표준화 및 혼합독성 측정용 키트 제품 상용화
○ 수계 미량오염 물질의 혼합독성 모델 개발 통한 표준통합작업지침서 마련
○ 수처리시설의 생물학적 영향에 대한 미확인 오염물질 기여도 정량화
◼ 전체 내용
○ 수계 미세 미량 미확인 오염물질 신속 검출 프로브 개발
- 사고대비 수계 미확인 오염물질 신속, 정확한 프로브 제작 기술
- 단시간, in-vivo
□ 연구개발 목표 및 내용
◼ 최종 목표
○ 수계 미세 미량 미확인 오염물질 신속 검출 프로브 개발
○ 생물학적 오염물 검출기법 표준화 및 혼합독성 측정용 키트 제품 상용화
○ 수계 미량오염 물질의 혼합독성 모델 개발 통한 표준통합작업지침서 마련
○ 수처리시설의 생물학적 영향에 대한 미확인 오염물질 기여도 정량화
◼ 전체 내용
○ 수계 미세 미량 미확인 오염물질 신속 검출 프로브 개발
- 사고대비 수계 미확인 오염물질 신속, 정확한 프로브 제작 기술
- 단시간, in-vivo friendly Multiplex 생물 모사 DNA항체 개발
○ 생물학적 오염물 검출기법 표준화 및 혼합독성 측정 키트 제품 상용화
- 수계 미량 오염물질에 대한 검출을 위해 최적 전처리 기법 표준화
○ 수계 미량오염 물질의 혼합독성 모델 개발통한 표준통합작업지침서마련
- 수계 오염물질의 혼합독성모델 측정 및 USEPA guideline에 따른 표준 통합 작업지침서 마련
- 미량오염물질 2종에 대한 정수시설에서의 화학적 평가기준(LC-MS) 과 개발된 생물학적 평가기법(DNA 항체)의 비교평가
- K-water 연구원 (맑은물연구소 실증정수장)
□ 연구개발성과
○ 수계 미세 미량 미확인 오염물질 신속 검출 프로브 개발
- 프로브 양산을 위한 시스템 개발 (P-SELEX & P-FLow)
- 9개의 챔버와 채널 및 히터등이 포함된 미세 유체 구조.
- 최대 9개의 DNA 항체를 동시에 발굴
- 그람 음성균 DNA 항체 2종, 코로나 바이러사 용 4종 발굴
○ 수계 미확인 오염물질 Test kit 개발
-선행연구에서 발굴된 BPA 압타마를 수정 보완 하여 프로브로 사용한 전기 화학 센서 개발
- LC-MS 법과 비교 분석을 통하여 높은 민감도 및 가격 경쟁력 보유
- BPA 타겟의 L-form 의 DNA 항체를 발굴 하여 측정 안정성이 높은 Naked eye형태의 환경 센서 개발
- SARS-CoV-2 의 N-Protein을 타겟으로 하는 DNA 항체를 프로브로 하는 Mix-and-Read 형태의 코로나 바이러스 진단키트 개발
- 타액을 이용하여 SARS-CoV-2 안티젠은 검출할수 있는 신속진단 키트 개발
- 혈액을 이용한 SARS-CoV-2 항원 (IgG/IgM)을 검출할수 있는 신속진단 키트
- 코로나 진단 키트용 형광 면역측정 장비 개발
- 신속진단 키트로 전세계 50개국에 150 억원 이상의 매출 달성
○ 최적 시료 전처리 및 저감장치
- 취수원 등에서 환경 시료를 직접 전처리 할수 있는 대용량의 전처리기
- 2개의 필터를 가지는 전자동화 대용량 전처리기 개발
- 휴대용 소형 농축기 개발 (50mL 이하 용량)
- 그림 음성균 비드를 이용하여 환경시료내 그림 음성균만 선택적으로 분리 및 농축할수 있는 저감장치 (시스템) 개발
- 그람 음성균 비드 Package 와 PDMS 미세 밸브 구조를 가지는 미세유체 구조
- 그람 양성균에는 반응하지 않고 그람 음성균에만 포집 (높은 특이도)
- 유체 제어를 통한 자동화 장비
○ 시험 기법 표준화
- 환경 시료내의 BPA농도를 개발된 전기화학 센서와 LC-MS와 비교분석
- LC-MS법 보다 높은 민감도 (센서: 0.01ppm, LC-MS: 0.1ppm)
- 환경 시료내의 박테리아 농도를 전기화학 센서와 PCR법과 비교
- 기존의 PCR법 보다 고속, 고정밀의 농도 측정 가능
○ 미량 및 신종 오염물질 혼합독성 예측 모델 개발
- BPA등 환경호르몬의 농도에 따른 세포의 생장률 분석
- 외인성 에스트로겐인 BPA에 대한 영향을 평가하기위하여 MCF-7 선정
- 25μg/mL 농도의 BPA 하에서는 48시간후 50%이하의 생장율을, 50μg/mL에서는 24시간 내에 30% 이하의 생장률을 보임.
○ 음향영동과 자가형광 광학기를 이용한 환경시료내 박테리아 분류
- 음향영동과 자가형광 광학계를 이용한 유세포분석기 개발
- 개발된 유세포 분석기를 이용 다량의 박테리아의 자가형광 데이타를 바탕으로 기계학습법을 이용하여 박테리아를 비표적 방법으로 분류
- 높은 through-put(5,000cell/sec)으로 환경시료내 박테리아를 분석/분류할수 있음
□ 연구개발성과 활용계획
○ 제품화 및 신산업 창출 방안
⦁ 최근 대구 수돗물 과불화 화합물 노출 사고와 같이 유해물질의 누출에 대량 DNA항체 확보와 고감도 검출 센서 기법으로 신속한 검출과 추가 확산을 예방할 수 있는 바이오/화학 센서 시스템 개발에 활용하여 소형화 및 저가화를 이룰 수 있음
⦁ 상수원에 존재 하는 병원성 미생물 검출 안전성 평가기술 개발
- 수계 존재하는 병원성 미생물 (녹조류, Fungi, 원생동물, 세균, 바이러스)의 배양등 번잡한 공정 없이 직접 검출할수 있는 방법 개발
- 임상 시료에 쓰이는 코로나 19진단 키트를 환경 시료에 적용 (상/하수도 존재 코로나 바이러스 모니터링으로 먹는 물의 안전성 검증)
- 유세포 분석기, 음향부양 농축 기술들 신기술을 환경분야에 적용 하여 신시장 개척
⦁ 생산량과 사용량을 고려하여 인체 노출 개연성이 높은 환경 오염물질을 대상으로 신뢰성 있는 저가형 다중 감지 센서 개발과 소비자, 기업, 공공기관 등에서 활용가능한 시제품 제작 및 실증 활용
⦁ US EPA 기준에 맞는 측정 기법 개발로 국내·외 활용 가능할 수 있도록 제품 개발
- 신사업 창출 :원천특허를 통해 TMS 망, 정수장에 없던 수계 미세오염원에 대한 제거 및 검출 기술을 관련 산업체의 기술이전, 사업화를 통해서 개발 기술의 신사업 창출
- 기존 산업의 재편 : 미세 오염물질에 대해 검출에만 그치던 산업구조를 검출 및 제거 기술에 활용 가능한 원천기술의 카탈로그 화를 통한 기존 산업의 재편
- 수계 오염원 검출, 제거 기술의 사업화를 통한 시장점유율 10% 이상의 혁신기술 제안
⦁ 환경호르몬의 안전성 평가기술 개발
- 대체물질에 대한 환경호르몬 성분 및 독성 평가기술 개발
- 본 사업단 내 대체물질 개발과 다중감지센서 개발 연구 지원
⦁ 제조공정의 환경호르몬 인체노출과 환경배출의 저감공법 및 저감효과 평가모델 개발
- 제조공정에서 환경호르몬을 저감할 수 있는 물질순환 또는 흐름공법 등 개발
- 제조공정에서 환경호르몬의 환경배출을 저감할 수 있는 관리공법 개발
- 제조공정의 저감효과를 평가할 수 있는 평가모델 개발
□ 기대 효과
○ 기대효과
(1) 기술적 측면
⦁ DNA항체 프로브 기술은 미세 오염원과의 특이적인 결합에 의한 검출 시스템과 제거시스템에 동시 적용이 가능함. 또한 프로브를 이용하여 민감한 다종의 오염원의 검출 및 미세 오염원의 제거 기술이 가능함. 이 기술은 기존 센서기술과 결합하여 특이적인 수계 미세오염원 검출을 가능하게 하기 때문에 기존 신오염원 대응 기술의 한계를 극복할 수 있는 기술로 정수장 및 상수원에서 미세오염원 제거의 핵심기술임
⦁ DNA항체는 타겟분자에 3차원 구조로 결합하며 항체에 비해 높은 친화성과 특이성을 가짐. DNA항체는 화학적으로 합성되기 때문에 독성이있는 타겟에 대한 DNA항체를 생산하는 것이 가능하며 열악한 환경에서 매우 안정하기 때문에 수계오염원을 탐지하는 프로브 생산에 적합함
⦁ 신종 오염원에 대한 검출 및 제거 기술, 기존 검출 어려운 오염물질에 대한 혁신적인 검출 및 제거 기술을 제공하여 세계적인 산업원천특허를 확보하고 원천특허를 통해 TMS 망, 정수장 관련 산업체의 기술이전, 사업화를 통해서 ERL 개발 기술의 Open Innovation 실현가능
⦁ 환경 뿐 아니라 수계 미세 오염원이 원인이 되는 보건의료 분야의 진단, 치료법, 수계 미세오염원에 의한 가축, 조류 등 동물 변화에 대한 진단 및 예방법, 수계 미세오염원에 의한 식물 및 환경 변화 등에 대한 관측, 예측, 검출 기술에 적용 가능함
⦁ 또한, 관련 기술로 검출을 위한 광학, 항체 제작을 위한 생물공학, 장비 구축을 위한 기계·전자공학, 전기전자 칩 기술, 데이터 마이닝을 위한 인포매틱스 기술 등의 전후방 관련 동반 기술의 응용 및 확장이 기대됨
(2) 경제·사회적 측면
⦁ 미국의 EPA 기법을 벤치마킹하여 우리나라에서도 본 사업을 통한 표준 검사 기법개발을 통해 개발된 다양한 미세오염원별 프로브 기술의 카탈로그화를 계획함. 이를 바탕으로 환경분야 기술 업체에 대한 카탈로그 기술 홍보를 통해 OI 기술 이전이 가능함. 기 개발된 DNA항체를 바탕으로 응용 특허, 카탈로그 화를 통한 세계적인 기술 경쟁력을 확보할 수 있음
⦁ 신사업 창출 :원천특허를 통해 TMS 망, 정수장에 없던 수계 미세오염원에 대한 제거 및 검출 기술을 관련 산업체의 기술이전, 사업화를 통해서 개발 기술의 신사업 창출
⦁ 기존 산업의 재편 : 미세 오염물질에 대해 검출에만 그치던 산업구조를 검출 및 제거 기술에 활용 가능한 원천기술의 카탈로그 화를 통한 기존 산업의 재편
⦁ 수계 오염원 검출, 제거 기술의 사업화를 통한 시장점유율 10% 이상의 혁신기술 제안하여 조기 사업화를 통하여 수요처 및 신규 일자리 창출이 기대됨
⦁ 주요 수요처: 특히, US EPA 기준에 근거한 표준 시험법을 제안함으로써 기술의 표준화 확보
- 본 개발 기술의 수요처는 지자체, 위탁운영기관 및 물 기술 인증기관에서 사용될 것으로 예상되며 오염원에 대한 사전 검출이 요구되는 기업체 산업 단지, 관공서, 학교 등에서도 폭 넓게 이용될 것으로 예상됨
- 신속한 검출 기술과 신속한 오염원 분석이 가능하여 비상시 국가 위탁 기관에 높은 수요가 예상됨
- 수질 오염이 심각한 중국, 동남아시아, 아프리카 또는 전시국가 등에서 수질오염 측정 키트 및 센싱 기법의 폭넓은 수출과 수요가 확대될 것으로 예상됨
⦁ 일자리 창출: 국내외 물 산업의 시장현황의 폭발적 증가와 함께 일자리 수요 급증 예상
- 본 기술의 사업화로 인하여 전·후방 관련 산업의 동반 성장이 예상되며 물산업의 가치 사슬을 기반으로 분석할 때, 하·폐수 처리시설, 해수 담수화, 장비, 기자재, 하수관 관리시스템 분야의 일자리 수요가 발생할 것으로 예상됨
- 또한, 본 기술사업의 과정 중에 주관기관 및 중앙대학교에서 신규 인력에 대한 해당 기술의 교육과 응용이 가능하여 신규 인력 재배치 및 훈련이 가능할 것으로 예상됨
(3) 환경적 측면
⦁ 미세 오염물질에 특이적으로 결합하는 특성을 기반으로 DNA항체 프로브 기술은 여러 분야에 적용이 가능함. 첫 번째로 바이오센서 기술, 정수장 수처리 오염원 제거기술, 상수원 오염물질 검출 및 제거 기술 등 수계 오염 대응 기술 분야에 적용 될 수 있음. 두 번째로 폐수 및 수질, 공기, 지질, 토양 등 전 분야에 응용될 수 있는 기술로써 수계 신오염원 기술을 하나의 기술 분야 적용으로 open innovation 가능함. 마지막으로 환경 뿐 아니라 수계 미세 오염원이 원인이 되는 보건의료 분야의 진단, 치료법, 수계 미세오염원에 의한 가축, 조류 등 동물 변화에 대한 진단 및 예방법, 수계 미세오염원에 의한 식물 및 환경 변화 등에 대한 관측, 예측, 검출 기술에 적용 가능함
⦁ DNA항체를 이용하면 수계오염원을 나노에서 펨토 단위의 미세농도에서도 측정 가능하기 때문에 수계오염원에 대한 친화도(affinity) 및 특이성(specificity)를 높일 수 있을 뿐 아니라 기존 기술에 비해 빠른 진단으로 신속한 대책마련 및 조기대응을 가능하게 함. DNA항체 기술은 마커의 안정성과 환경물질과의 호환성 때문에 환경측정기술의 제품화에 기여 가능
⦁ 소형화 Probe 기술을 이용해 재생 가능한 맑은 물을 개발하고 기존 저감 및 제거 기술에 비해 특이적인 오염원만을 제거하여 비용 및 원료 절감 효과를 통한 환경친화 기술 확보
⦁ 국가 환경 브랜드 기술 확립으로 환경 선진국 이미지 제고
(출처 : 요약문 4p)
목차 Contents
- 표지 ... 1
- 제 출 문 ... 2
- 최종보고서 ... 3
- 요 약 문 ... 4
- 목차 ... 11
- 1. 연구개발과제의 개요 ... 12
- 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 35
- (1) 1차년도 ... 35
- (2) 2차년도 ... 50
- (3) 3차년도 ... 72
- 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 106
- 1) 연구수행 결과 ... 106
- 2) 목표 달성 수준 ... 121
- 4. 목표 미달 시 원인분석 ... 122
- 5. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도 ... 122
- 6. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 123
- 가. 연구개발결과의 활용방안 ... 123
- 나. 사업화계획 및 효과 ... 125
- 다. 기대효과 ... 133
- 끝페이지 ... 137
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