고려대-이화여대, 살아있는 미생물만 실시간으로 판별하는 형광 감지 기술 개발

△ 전기장이 없을 때 전압감응형 염료가 형광성을 보이며(좌측), 살아있는 미생물 막에 염료가 흡수되어 형광성을 일시적으로 잃었다가(중간), 전기장의 존재로 방출된 염료가 다시 형광성을 보이는(우측) 원리로 살아있는 미생물을 검출할 수 있음

24시간 이상 걸리던 미생물 활성 상태 확인이 실시간으로 가능해졌다. 고려대학교(총장 김동원) 전기전자공학부 채빌리(Beelee Chua) 교수와 이화여자대학교 환경공학과 손아정 교수 공동 연구팀이 전압감응형 염료와 전기장을 이용해 살아있는 미생물 세포와 죽은 세포를 정확하고 신속하게 구별하는 형광 기반 검출법을 개발했다. 

*전압감응형 염료(voltage-senstivie dye): 세포막 주변의 미세한 전압 변화에 따라 빛을 내는 형광 신호가 달라지는 특수 염료

미생물 세포를 다루는 생명공학 및 관련 산업 현장에서는 ‘온전한 상태로 살아있는 세포’를 모니터링하는 기술이 필수적이다. 미생물의 대사 과정이 유용한 화학물질이나 약품을 생산하는 데에 활용되는 만큼 다양한 이공계 분야에 핵심적인 역할을 하기 때문이다.

기존에는 활발한 대사를 유지하는 활성 상태 미생물을 검출·분석하는 데 24시간 이상 소요되는 한계가 있었다. 또한, 신속 검출 방법은 주로 유전체 정보나 대사 산물(부산물)에 의존하기 때문에 미생물이 살아있는지 죽었는지 정확하게 구별하기 쉽지 않았다.

연구팀은 살아있는 미생물만이 가지는 고유한 세포막전위 신호 변화와 전기장에 의한 반응에 주목하여 이 문제를 해결했다. 외부에서 인위적으로 전기장을 가할 경우, 살아있는 세포만 전기 자극에 반응해 전압감응형 염료인 ‘diS-C3-(5)’를 세포 안으로 이동시키거나 밖으로 방출한다. 이러한 형광 신호 변화를 이용해 미생물의 활성 상태를 빠르게 구분한 것이다. 

*세포막전위: 세포 내부와 외부의 전하 차이로 인해 세포막 안팎에 형성되는 미세한 전압

기존에 현미경 관찰에만 머물렀던 염료 분석의 한계를 극복하기 위해, 외부 전기장을 가하는 동시에 형광 신호 반응을 실시간으로 측정할 수 있는 맞춤형 분석 장치도 개발했다. 연구팀은 이 장치를 활용해 고농도 양이온이 존재하는 수돗물 환경 시료에서도 살아있는 박테리아(미생물의 일종)를 안정적으로 검출하며 우수한 정량 성능을 입증했다. 

*정량 성능: 미생물이나 화학물질의 유무만 확인하는 것을 넘어, 그 정확한 수량이나 농도를 정밀하게 측정해내는 능력

채빌리(Beelee Chua) 교수는 “살아있는 미생물 모니터링 기술의 한계는 관련 산업과 연구 발전을 저해하는 요인이 되어 왔다”며 “이번에 개발된 분석법은 살아있는 미생물 기반 기술과 이를 모니터링하는 기술 간의 격차를 해소하는 데 크게 기여할 것”이라고 밝혔다. 

본 연구 성과는 국제 학술지인 ‘Biosensors & Bioelectronics(IF=11.8 JCR 상위 2.7%)’ 온라인에 7월 23일 게재됐다.

*논문명: Live bacterial specific fluorescence quantification via switchable exogenous electric field induced change in membrane potential

*DOI: 10.1016/j.bios.2026.119055

*URL: https://doi.org/10.1016/j.bios.2026.119055

이번 연구는 한국연구재단(NRF)의 재정지원을 받아 수행됐다. 

[연구진 사진]

△(왼쪽부터) 고려대 전기전자공학부 채빌리(Beelee Chua) 교수(교신저자), 이화여대 환경공학과 손아정 교수(교신저자), 이화여대 이정은 석사과정생(제1저자), 고려대 전기전자공학부 이민수(Brian M. Lee) 학생(공동저자, 21학번)