[쿠키과학] ‘국내산 점토광물로 통풍·신장질환 진단’ … KIGAM, 고성능 바이오센서 개발

통풍과 신장질환을 진단하는 핵심 지표인 요산을 국내산 점토광물로 빠르고 정확하게 측정하는 기술이 나왔다.

이번 연구는 병원 밖에서 질병을 신속하게 확인하는 현장진단(Point of Care·POC) 기술의 성능과 활용성을 높일 수 있어 주목받고 있다.

한국지질자원연구원(KIGAM) 포항지질자원실증연구센터 김재환 박사팀은 캐나다 캘거리대 김기경 교수팀과 공동으로 천연광물 벤토나이트와 탄소나노튜브를 결합한 고감도 바이오센서를 개발했다.

요산은 통풍과 신장질환, 대사증후군 위험을 알려주는 대표적인 바이오마커다.

혈액이나 소변 속 요산 농도가 높아지면 관절에 요산 결정이 쌓여 통풍을 일으킬 수 있고, 신장 기능 저하와도 밀접한 관련이 있어 요산 농도를 빠르고 정확하게 측정하는 것은 질환의 조기 진단과 치료에 매우 중요하다.

현재 의료현장에서는 효소 분석법이나 고성능액체크로마토그래피(HPLC) 같은 실험실 장비를 이용해 요산을 측정한다.

이는 정확도는 높지만 고가 장비와 전문 인력이 필요하고 분석 시간이 길어 현장 적용에는 제약이 있었다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 국내 동남권에서 안정적으로 생산되는 천연 점토광물 벤토나이트에 주목했다.

벤토나이트는 몬모릴로나이트를 주성분으로 하는 층상 점토광물로, 얇은 종이가 여러 겹 쌓인 것처럼 층층이 구조를 이루고 있어 표면적이 넓고 많은 물질을 붙잡을 수 있다.

또 생체 적합성이 우수하고 단백질 흡착을 억제하는 특성이 있어 바이오센서 소재로 활용 가능성이 높다.

하지만 벤토나이트는 전기가 잘 흐르지 않는다는 약점이 있다.

연구팀은 높은 전기전도성을 가진 다중벽 탄소나노튜브(MWCNTs)와 결합해 이 문제를 해결했다.

탄소나노튜브는 머리카락 굵기의 수만 분의 1 수준인 초미세 탄소 구조체로, 전기가 잘 통하고 표면적이 넓어 전기화학 센서 성능을 높이는 데 활용된다.

연구팀은 벤토나이트와 탄소나노튜브를 결합한 나노복합체를 제작한 뒤 자체 개발한 에어브러시 스프레이 공정으로 전극 표면에 균일하게 코팅했다.

이어 요산을 분해하는 효소인 유리케이스(Uricase)를 전극에 고정해 바이오센서를 완성했다.

이 과정에서 벤토나이트는 효소가 전극 표면에 고르게 분포하도록 돕고, 탄소나노튜브는 전기 신호를 빠르게 전달하는 통로 역할을 맡았다.

이 센서는 통풍과 신장질환 진단에 필요한 10~2000마이크로몰(μM) 범위의 요산 농도를 안정적으로 측정했다.

이는 정상 범위부터 질환 진단이 필요한 고농도 구간까지 모두 검출할 수 있는 수준이다.

특히 실제 혈액 환경과 유사한 인공 혈청에서도 높은 정확도를 유지했다.

또 아스코르브산 등 측정을 방해할 수 있는 물질이 존재하는 환경에서도 높은 선택성을 보였다.

연구팀은 바이오센서 상용화의 걸림돌인 생체오염 문제도 크게 개선했다.

연구 결과 탄소나노튜브만 사용한 전극의 신호 감소율은 27.6%였지만, 벤토나이트를 적용한 센서는 이를 10%로 낮췄다.

안정성도 이 센서는 60일 이상 보관한 뒤에도 초기 수준의 검출 성능을 유지했다.

연구팀은 포도당, 콜레스테롤, 크레아티닌 등 다양한 질병 바이오마커 검출로 기술 적용 범위를 확대하고, 웨어러블 기기와 스마트 헬스케어 플랫폼 연계 연구도 추진할 계획이다.

김 박사는“연구팀은 이번 성과가 바이오센서 분야에서 활용이 제한적이던 국내산 천연광물 벤토나이트를 첨단 바이오·헬스케어 소재로 활용할 수 있음을 입증한 첫 사례”라고 말했다.

한편, 이번 연구결과는 국제학술지 ‘Biosensors and Bioelectronics’에 게재됐다.
(논문명: A novel nanoclay/MWCNTs nanocomposite-based enzymatic biosensor for electrochemical detection of uric acid)

이재형 기자 jh@kukinews.com