Detection techniques for pathogenic bacteria
2020-02-05
org.kosen.entty.User@5d298a26
이재현(jaelee122)
세균 측정기술
이재현, jaelee122@hanmail.net
한국산업기술진흥회
Key Words
영문 키워드: Microbiology, Detection technology, Bacteria, Infectious agents, Biosensor
한글 키워드: 미생물학, 측정기술, 박테리아, 전염 매개물, 바이오센서
1. 서론
기존의 배양기술에 의하여 미생물들에 관한 많은 지식이 얻어졌다(1). 박테리아는 모든 조건에서 생존이 가능한 세계 미생물총의 중요한 일부이다. 단지 일부분이 배양가능하지만 이들은 토양, 공기 및 해양 미생물총에 충분한 지식을 제공한다. 박테리아의 검출은 계속적으로 발전하여 일이 많이 드는 힘든 작업에서 최근에는 스마트한 작업으로 변신하고 있다. 발전과정은 배양에 의존한 플레이트 계산에서 배양이 없는 기술로 번천하였다. 중합효소 연쇄반응 (polymerase chain reaction, PCR)이 박테리아 세포들을 검출하는 생물학적 도구가 되고 있으며, 기기분석 기술이 또한 큰 몫을 하고 있다. 시대별 미생물 검출 발전사를 아래 그림 1에 표시하였다(2).
박테리아들은 주어진 환경역사의 주된 단서이며 더 나아가 서로 다른 검출기능을 이용하면 다양한 생태계에서의 미생물 계열의 지식을 알려준다(3). 반면, 우리 일생생활에서 문제가 되는 것은 미생물 오염인 식중독이다. 이들의 검출은 안전한 식품의 공급과 식중독 질병을 감소시켜 우리들의 건강을 유지하게 한다. 지난 30년 동안 과학계는 식품안전에 많은 도전을 받아왔다. 이들은 새로운 식중독 변균종의 출현, 식품의 불순물 오염, 유전자 조작된 식품의 장기 소비, 식품에 화학물질 오염 및 식품의 변질등 이다.
2. 생물학적 검출기술
2.2 배양의존 기술
생물학적 배양의존 방법은 길고 고된 작업으로 샘플의 수집, 연속적인 희석, 선택적 및 적절한 매체에 의한 플레이팅 및 가시적인 미생물 집단을 얻기위한 적절한 배양시간등이 필요하다. 대부분의 식품 및 물오염 박테리아 병균의 배양시간은 18-24시간이며 박테리아 균종에 따라서는 72시간 까지 갈 수 있다. 때로는 성장속도와 사멸속도를 결정하는 데는 샘플속의 살아있는 박테리아 수를 세어야한다. 각 샘플의 박테라이 수는 집락형성단위 (colony forming unit, CFU)로 표시한다.
그림 1. 1960에서 2010까지의 연대별 미생물 측정기술 발전사
2.2 무배양 검출기술
검출기구 및 시험방법들은 기존의 배양-기반 확인방법에서 항체 및 단백질 기반 시스템으로, 더 나아가 빠른 분자-기반 확인으로 진화하였다. 분자지향 응용으로 무배양 검출기술이 탄생하였다(4). 1980년도에는 효소면역측정법, 1990년대에는 PCR 기반 반응 및 일반 하우스키핑 유전자를 통한 1세대 서열화 개발에 의한 분자지향 확인의 시작이었고, 현재 이분야는 2세대 (다음 세대 서열화라고도 한다), 3세대 서열화로 이어지는 다수 플랫폼이 되고 있다. 즉, 매체가 보조하는 레이저 탈착 이온화-비과시간 (matrix assisted laser desorption ionization-time of flight, MALDI-TOF)와 같은 질량분석 기반 기술, 전자분무 이온화 질량분석 및 미세배열 분석법등이 이용되고 있다(5). 이 분자기술들은 빠르고 정확한 시험을 할수 있을 뿐 아니라 체액, 혈액 및 혈장과 같은 살아 있지않은 미생물세포들의 잔여 핵산을 이용하여 미생물의 확인 및 검출이 가능하다.
2.3 핵산서열에 기반한 검출기술
PCR과 같이 핵산 서열에 기반한 방법은 미생물 세포와 그들의 독소를 검출할 수 있는 반면 면역적 방법은 미생물들을 검출하는데 특정적이지 않고 거주하는 단백질에 의존한다. 따라서 PCR 기능을 가진 여러 수의 바이오칩이 있어 강력한 미생물의 확인 및 검출을 할 수 있으며 이는 PCR과 카필러리 전동법을 결합한 통합 유전자분석과 같다. 그 외에 다수복합 PCR 기반 검출, 변성기울기겔전동법, 길이 이종성 PCR, 디지털 실시간 PCR (RT-PCR) (6), 유전자 지문 기술 등이 있다.
3. 생화학적 검출기술
3.1. 생화학적 특성
여러 기존의 생화학적 방법들이 박테리아를 검출하는데 사용된다. 즉, 형태학적 시험으로 유
경험 미생물학자들은 아가 플레이트의 박테리아 군락을 확인할 수 있다. 다른 생화학적 특성으로
당 발효, 효소생성 및 항생제저항 등은 쉽게 시험할 수 있다. 여러 생화학적 시험이 박테리아를 확인할 수 있으나, 현재 핵산 서열에 근거한 기술이 표준이고 상기 방법들보다 직접적이다(7).
3.2. 면역학적 검출기술
면약학적 방법은 항체와 항원의 특정 결합에 의하여 이루어 진다. 이때 항원의 표적부분은 항체의 항원결정기 결합한다. 식품에 널리 사용하는 방법은 ELISA로 항체들을 사용하여 색의 변화로 물질을 확인한다. 효소연관 형광 시험 (enzyme-linked fluorescent assay, ELFA)은 ELISA와 비슷하나 더 예민한 생화학시험이다. 면역 자석 분리 (immune magnetic separation, IMS)는 배양세포들과 여러 체액들로부터 세포들을 효과적으로 분리하는 실험실적 도구이다. IMS는 병균세포들을 분리, 농축한다(8).
4. 바이오 센서
4.1. 전기화학적 바이오센서
이 바이오센서는 매체의 경계면에서 샘플과 센서 간에 상호작용에 의한 전류 및 전위 변화에 근거한 기술에 의한 것이다. 이 기기는 전류, 저항, 전기전위 등의 계수에 의해 분류한다. 이 중 전류와 분석물의 농도의 선형관계에 따른 전류방법은 경제적이나, 광학센서에 비해 선택성이 떨어진다.
4.2. 광학 바이오센서
이 센서들은 바이오분석에서 가장 유명하고 스마트한 검출 기기이다. 최근 형광 및 표면 플라스몬 공명에 기반한 기술은 섬세함 때문에 일상적으로 사용하고 있다. 또 이들은 나노바이오기술과 접합하여 전통적인 방법에 비해 여러 장점이 있으며 효과적이다. 광학 바이오센서가 센싱 기기중에서 가장 스마트하다. 특히 비색센서들을 박테리아를 몇 분 안에 쉽고 빠르게 검출한다. 최근에는 스마트폰으로도 간단히 그리고 저 비용으로 사용자-친화적 검출이 가능하다. 비색 바이오센서 시스템에서 박테리아 병원균을 눈으로 확인할 수 있다. 플라스몬 바이오센서 시스템에는 surface plasmon resonance (SPR)과 surface enhanced Raman spectroscopy (SERS)가 있으며 SPR은 금 코팅된 자석 나노입자를 이옹하여 여러 박테리아를 3 CFU/ml 까지 검출할 수 있다. 아래 표1에는 식품에 사용하는 바이오센서들의 기능특성 및 확인방법을 비교하고 있다(9).
표 1. 바이오센서의 기능특성 및 확인방법 비교
Note: IMS = immunomagnetic separation, mPCR = Muliplex polymerase chain reaction, MDA = Muliple displacement amplfication, RPAR = Recombinase polimerase amplification, EIS = Electochemical impedance
5. 기기분석에 의한 박테리아 검출
5.1. 흘림 세포계측법
이 방법은 고 비용이나 간편하고 빠르기 때문에 임상진단에서 박테리아 활성을 측정하는 일상적인 표준방법이다. 식품업계에서 이 방법은 미생물 오염을 검출할 수 있다. 이 기기는 특정 프로브나 형광염료를 사용하여 미생물세포들의 자세한 생리생태를 알려주며 혼합배양에서 빠른 수치측정을 할 수 있다. 이 기기로 축산농가에서 즉석으로 그램-타입 박테리아를 검출해 항균제를 쓰지 않고 유선염을 치료할 수 있다.
5.2. 가스 및 매스 스팩트로그래피
가스크로마토그래피-질량 스팩트로스코피 (GC-MS)는 박테리아와 이들 화합물들을 검출, 확인하는 효과적인 도구이다. 소형화 된 GC-DMS (gas chromatography-differential mobility spectroscopy)는 E. coli와 같은 대장균군을 검출하는데 사용하며 GC-MS 및 GC-DMS는 박테리아 세포들이 방출하는 onitrophenol 및 인돌과 같은 여러 화합물들을 검출할 수 있다. MALDI-TOF 질량분석기는 미생물들을 확인하는 빠르고, 정확하고 저렴한 검출기로 Bacillus, Yesinia, Burkholderia, Francisella 및 Brucella와 같은 병원균을 빠르게 검출하는데 사용한다.
5.3. 전기화학적 충돌
생물학적 검출과 수치화는 임상병리, 식품 및 수질면에서 매우 중요하다. 현재는 현미경, 광학밀도 및 세포배양 등으로 샘플에서 박테리아를 검출하고 측정하는 방법들이 있다. 각 기술은 각각 장점이 있지만 몇몇 한계점이 있다. Lee등은 차단방법으로 라벨 없이 살아있는 박테리아를 검출하는 전기화학적 방법을 보여 주었다. 이 방법은 간단하고 빠르며 샘플에서 특정 크기의 박테리아를 검출하고 측정할 수 있다(10).
6. 스팩트로그래피 기술
6.1. Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR)
FTIR 스팩트로스코피는 식품업, 진단 실험실 및 의료센터에서 박테리아를 빨리, 저렴하게 및 일상적으로 분석할 수 있는 도구이다. 이는 식품업계에서 식품처리 및 저장 중에 미생물 안전을 평가하는 식품안전관리인증 (HACCP) 시스템을 관리하는데 유용하다. 이 기술은 박테리아의 생화학적 지문을 몇 분만에 저렴하게 제공한다. 각각의 박테리아 종들은 특정한 세포벽 혹은 세포막 성분을 가지며 분자 진동에 의하여 특정적으로 IR 지문을 보인다. 과학자들은 살코기의 부패정도를 검사하고 박테리아 수, pH 및 질을 여러 온도와 저장조건에서 FTIR과 계량화학적 방법으로 검사하였다(11).
6.2. 라만 스팩트로그래피
식품과 의학분야에서 라만 스팩트로그래피는 온전하고 전체적인 박테리아 세포들을 효과적으로 검출할 수 있다. 스팩트라를 몇 초안에 기록할 수 있고 결과는 여러 통계 도구에 의 수분만에 얻을 수 있다. 그러나 이는 샘플에 표적 미생물이 존재하고 라만 측정이 가능 하여야만 한다. 과학자들은 기기분석기술과 나노배열을 통합하여 개선된 결과를 얻을 수 있는 새로운 방법을 모색하고 있다(12).
6.3. Hyperspectral Image 및 THz 방사기술
Hyperspectral imaging (HSI) 기술은 실시간 식품품질을 관리하는 새로운 기술이다. 이는 식품의 색, pH, 수분함유 능력 및 유연성 등의 품질을 체크할 수 있고 화학성분 및 미생물 오염들을 검출할 수 있다. 이 방법으로 여러 다른 식품들의 생균수를 5 - 9 Log10 CFU/g까지 측정할 수 있었다(13)
테라헤르츠 방사 (THz radiation)는 여러 미생물 연구에 사용되며 특히 그램 타입 박테리아를 몇분 안에 검출할 수 있다. 5개의 박테리아 ATCC 종들 (E. coli DH5a, B. subtils, 168, Serrtia marcescens 및 S. epidemidis)을 THz 방사로 조사하였고, 미지의 샘플에서 그램 타입 박테리아를 선택적으로 확인할 수 있었다.
7. 결론
현재에도 박테리아는 우리들의 건강, 식품 및 물의 안전에 위험이 되며 경제적으로도 피해하 크다. 따라서 그때, 그때 생명에 위협이 되는 박테리아를 검출하는 스마트한 방법이 필요하다. 최근 과학자들이 배양이 필요 없고, 간단하고 저렴하게 현장에서 검출하는 새로운 방법을 소개 하였다. 이들은 효소반응 나노 플라스마 바이오센서로 실시간 특정 및 선택적으로 박테리아를 검출할 수 있는 DNAzyme-intergrated plasmonic nanosensors (DIPNs)를 소개하였다. 새로운 진단방법으로 여러 기기들을 공동으로 사용하는 방법과 면역학적 실험과 전기센서들을 통합 사용하는 방법들도 등장하였다. 아울러 진보한 검출기기와 이들의 데이터를 해석하는 방법에 많은 진보가 있었다.
References
1. Willner, D., & Hugenholtz, P. (2013). Metagenomics and community profiling: Culture independent techniques in the clinical laboratory. Clinical Microbiology Newsletter, 35(1), 1–9.
2. Janda, J. M., & Abbott, S. A. (2014). Culture-independent diagnostic testing: Have we opened Pandora's box for good? Diagnostic Microbiology and Infectious Disease, 80(3),
3. Ranjard, L., Poly, F., & Nazaret, S. (2000). Monitoring complex bacterial communities using culture-independent molecular techniques: Application to soil environment. Research in Microbiology, 151(3), 167–177.
4. Janda, J. M., & Abbott, S. A. (2014). Culture-independent diagnostic testing: Have we opened Pandora's box for good? Diagnostic Microbiology and Infectious Disease, 80(3), 171–176
5. Glenn, T. C. (2011). Field guide to next-generation DNA sequencers. Molecular Ecology Re-sources, 11(5), 759–769.
6. Fraisse, A., Coudray-Meunier, C., Martin-Latil, S., Hennechart-Collette, C., Delannoy, S.,Fach, P., et al. (2017). Digital RT-PCR method for hepatitis A virus and norovirus quantification in soft berries. International Journal of Food Microbiology, 243, 36–45.
7. Singh, D., Sharma, A., & Saini, G. K. (2013). Biochemical and molecular characterisation
of the bacterial endophytes from native sugarcane varieties of Himalayan region. 3
Biotech, 3(3), 205–212
8. Välimaa, A.-L., Tilsala-Timisjärvi, A., & Virtanen, E. (2015). Rapid detection and identification
methods for Listeria monocytogenes in the food chain–A review. Food
Control, 55, 103–114
9. Heera Jayana et al., Recent development in rapid detection techniques for microorganism activities in food matrices using bio-recognition: A review, Trends in food science and technology, 95 (2020) 233-246)
10. Lee, J. Y., Kim, B.-K., Kang, M., & Park, J. H. (2016). Label-free detection of single living
bacteria via electrochemical collision event. Scientific Reports, 6.
11. Ammor, M., Argyri, A., & Nychas, G.-J. (2008). Rapid monitoring of the spoilage of minced
beef stored under conventionally and active packaging conditions using fourier transform
infrared spectroscopy in tandem with chemometrics, Vol. 81
12. Wu, X., Xu, C., Tripp, R., Huang, Y.-W., & Zhao, Y. (2013). Detection and differentiation of
foodborne pathogenic bacteria in mung bean sprouts using field deployable label-free SERS
devices, Vol. 138
13. Gowen, A. A., Feng, Y., Gaston, E., & Valdramidis, V. (2015). Recent applications of
hyperspectral imaging in microbiology. Talanta, 137, 43–54. https://doi.org/10.
1016/j.talanta.2015.01.012
이재현, jaelee122@hanmail.net
한국산업기술진흥회
Key Words
영문 키워드: Microbiology, Detection technology, Bacteria, Infectious agents, Biosensor
한글 키워드: 미생물학, 측정기술, 박테리아, 전염 매개물, 바이오센서
1. 서론
기존의 배양기술에 의하여 미생물들에 관한 많은 지식이 얻어졌다(1). 박테리아는 모든 조건에서 생존이 가능한 세계 미생물총의 중요한 일부이다. 단지 일부분이 배양가능하지만 이들은 토양, 공기 및 해양 미생물총에 충분한 지식을 제공한다. 박테리아의 검출은 계속적으로 발전하여 일이 많이 드는 힘든 작업에서 최근에는 스마트한 작업으로 변신하고 있다. 발전과정은 배양에 의존한 플레이트 계산에서 배양이 없는 기술로 번천하였다. 중합효소 연쇄반응 (polymerase chain reaction, PCR)이 박테리아 세포들을 검출하는 생물학적 도구가 되고 있으며, 기기분석 기술이 또한 큰 몫을 하고 있다. 시대별 미생물 검출 발전사를 아래 그림 1에 표시하였다(2).
박테리아들은 주어진 환경역사의 주된 단서이며 더 나아가 서로 다른 검출기능을 이용하면 다양한 생태계에서의 미생물 계열의 지식을 알려준다(3). 반면, 우리 일생생활에서 문제가 되는 것은 미생물 오염인 식중독이다. 이들의 검출은 안전한 식품의 공급과 식중독 질병을 감소시켜 우리들의 건강을 유지하게 한다. 지난 30년 동안 과학계는 식품안전에 많은 도전을 받아왔다. 이들은 새로운 식중독 변균종의 출현, 식품의 불순물 오염, 유전자 조작된 식품의 장기 소비, 식품에 화학물질 오염 및 식품의 변질등 이다.
2. 생물학적 검출기술
2.2 배양의존 기술
생물학적 배양의존 방법은 길고 고된 작업으로 샘플의 수집, 연속적인 희석, 선택적 및 적절한 매체에 의한 플레이팅 및 가시적인 미생물 집단을 얻기위한 적절한 배양시간등이 필요하다. 대부분의 식품 및 물오염 박테리아 병균의 배양시간은 18-24시간이며 박테리아 균종에 따라서는 72시간 까지 갈 수 있다. 때로는 성장속도와 사멸속도를 결정하는 데는 샘플속의 살아있는 박테리아 수를 세어야한다. 각 샘플의 박테라이 수는 집락형성단위 (colony forming unit, CFU)로 표시한다.
그림 1. 1960에서 2010까지의 연대별 미생물 측정기술 발전사
2.2 무배양 검출기술
검출기구 및 시험방법들은 기존의 배양-기반 확인방법에서 항체 및 단백질 기반 시스템으로, 더 나아가 빠른 분자-기반 확인으로 진화하였다. 분자지향 응용으로 무배양 검출기술이 탄생하였다(4). 1980년도에는 효소면역측정법, 1990년대에는 PCR 기반 반응 및 일반 하우스키핑 유전자를 통한 1세대 서열화 개발에 의한 분자지향 확인의 시작이었고, 현재 이분야는 2세대 (다음 세대 서열화라고도 한다), 3세대 서열화로 이어지는 다수 플랫폼이 되고 있다. 즉, 매체가 보조하는 레이저 탈착 이온화-비과시간 (matrix assisted laser desorption ionization-time of flight, MALDI-TOF)와 같은 질량분석 기반 기술, 전자분무 이온화 질량분석 및 미세배열 분석법등이 이용되고 있다(5). 이 분자기술들은 빠르고 정확한 시험을 할수 있을 뿐 아니라 체액, 혈액 및 혈장과 같은 살아 있지않은 미생물세포들의 잔여 핵산을 이용하여 미생물의 확인 및 검출이 가능하다.
2.3 핵산서열에 기반한 검출기술
PCR과 같이 핵산 서열에 기반한 방법은 미생물 세포와 그들의 독소를 검출할 수 있는 반면 면역적 방법은 미생물들을 검출하는데 특정적이지 않고 거주하는 단백질에 의존한다. 따라서 PCR 기능을 가진 여러 수의 바이오칩이 있어 강력한 미생물의 확인 및 검출을 할 수 있으며 이는 PCR과 카필러리 전동법을 결합한 통합 유전자분석과 같다. 그 외에 다수복합 PCR 기반 검출, 변성기울기겔전동법, 길이 이종성 PCR, 디지털 실시간 PCR (RT-PCR) (6), 유전자 지문 기술 등이 있다.
3. 생화학적 검출기술
3.1. 생화학적 특성
여러 기존의 생화학적 방법들이 박테리아를 검출하는데 사용된다. 즉, 형태학적 시험으로 유
경험 미생물학자들은 아가 플레이트의 박테리아 군락을 확인할 수 있다. 다른 생화학적 특성으로
당 발효, 효소생성 및 항생제저항 등은 쉽게 시험할 수 있다. 여러 생화학적 시험이 박테리아를 확인할 수 있으나, 현재 핵산 서열에 근거한 기술이 표준이고 상기 방법들보다 직접적이다(7).
3.2. 면역학적 검출기술
면약학적 방법은 항체와 항원의 특정 결합에 의하여 이루어 진다. 이때 항원의 표적부분은 항체의 항원결정기 결합한다. 식품에 널리 사용하는 방법은 ELISA로 항체들을 사용하여 색의 변화로 물질을 확인한다. 효소연관 형광 시험 (enzyme-linked fluorescent assay, ELFA)은 ELISA와 비슷하나 더 예민한 생화학시험이다. 면역 자석 분리 (immune magnetic separation, IMS)는 배양세포들과 여러 체액들로부터 세포들을 효과적으로 분리하는 실험실적 도구이다. IMS는 병균세포들을 분리, 농축한다(8).
4. 바이오 센서
4.1. 전기화학적 바이오센서
이 바이오센서는 매체의 경계면에서 샘플과 센서 간에 상호작용에 의한 전류 및 전위 변화에 근거한 기술에 의한 것이다. 이 기기는 전류, 저항, 전기전위 등의 계수에 의해 분류한다. 이 중 전류와 분석물의 농도의 선형관계에 따른 전류방법은 경제적이나, 광학센서에 비해 선택성이 떨어진다.
4.2. 광학 바이오센서
이 센서들은 바이오분석에서 가장 유명하고 스마트한 검출 기기이다. 최근 형광 및 표면 플라스몬 공명에 기반한 기술은 섬세함 때문에 일상적으로 사용하고 있다. 또 이들은 나노바이오기술과 접합하여 전통적인 방법에 비해 여러 장점이 있으며 효과적이다. 광학 바이오센서가 센싱 기기중에서 가장 스마트하다. 특히 비색센서들을 박테리아를 몇 분 안에 쉽고 빠르게 검출한다. 최근에는 스마트폰으로도 간단히 그리고 저 비용으로 사용자-친화적 검출이 가능하다. 비색 바이오센서 시스템에서 박테리아 병원균을 눈으로 확인할 수 있다. 플라스몬 바이오센서 시스템에는 surface plasmon resonance (SPR)과 surface enhanced Raman spectroscopy (SERS)가 있으며 SPR은 금 코팅된 자석 나노입자를 이옹하여 여러 박테리아를 3 CFU/ml 까지 검출할 수 있다. 아래 표1에는 식품에 사용하는 바이오센서들의 기능특성 및 확인방법을 비교하고 있다(9).
| 계수 | 분석물 | 식품 | 확인 방법 | |||
| 선택성 | E. Col 0157:117 | a물/닭 및 채소 | SERS 미세유채 바이오샌서 | 정확도>95% | mPCR | 정확도-100% |
| 민감도/검출 한계 | Bacillus cereus |
우유 | Electrochem. DNA 바이오센서 | 10 CFU/ml | mPCR | 102 CFU/ml |
| 재현율 | Salmonella spp. |
Apple juice /Milk |
Impedimet-ric aptasensor | - 15% | MDA/RPA + PCR | <12.5% |
| 선형성 | Listeria monocytogens | Milk/상추 | ETS 미세유체 바이오센서 | 102 - 2.2X102 CFU/ml |
IMS + mPCR | 101-106 CFU/ml |
| 반응시간 | Listeria monocyto gens |
Fluorescent Gold nano-labeled peptide-based 버이오센서 |
45-50 min | ELISA | 24 h | |
표 1. 바이오센서의 기능특성 및 확인방법 비교
Note: IMS = immunomagnetic separation, mPCR = Muliplex polymerase chain reaction, MDA = Muliple displacement amplfication, RPAR = Recombinase polimerase amplification, EIS = Electochemical impedance
5. 기기분석에 의한 박테리아 검출
5.1. 흘림 세포계측법
이 방법은 고 비용이나 간편하고 빠르기 때문에 임상진단에서 박테리아 활성을 측정하는 일상적인 표준방법이다. 식품업계에서 이 방법은 미생물 오염을 검출할 수 있다. 이 기기는 특정 프로브나 형광염료를 사용하여 미생물세포들의 자세한 생리생태를 알려주며 혼합배양에서 빠른 수치측정을 할 수 있다. 이 기기로 축산농가에서 즉석으로 그램-타입 박테리아를 검출해 항균제를 쓰지 않고 유선염을 치료할 수 있다.
5.2. 가스 및 매스 스팩트로그래피
가스크로마토그래피-질량 스팩트로스코피 (GC-MS)는 박테리아와 이들 화합물들을 검출, 확인하는 효과적인 도구이다. 소형화 된 GC-DMS (gas chromatography-differential mobility spectroscopy)는 E. coli와 같은 대장균군을 검출하는데 사용하며 GC-MS 및 GC-DMS는 박테리아 세포들이 방출하는 onitrophenol 및 인돌과 같은 여러 화합물들을 검출할 수 있다. MALDI-TOF 질량분석기는 미생물들을 확인하는 빠르고, 정확하고 저렴한 검출기로 Bacillus, Yesinia, Burkholderia, Francisella 및 Brucella와 같은 병원균을 빠르게 검출하는데 사용한다.
5.3. 전기화학적 충돌
생물학적 검출과 수치화는 임상병리, 식품 및 수질면에서 매우 중요하다. 현재는 현미경, 광학밀도 및 세포배양 등으로 샘플에서 박테리아를 검출하고 측정하는 방법들이 있다. 각 기술은 각각 장점이 있지만 몇몇 한계점이 있다. Lee등은 차단방법으로 라벨 없이 살아있는 박테리아를 검출하는 전기화학적 방법을 보여 주었다. 이 방법은 간단하고 빠르며 샘플에서 특정 크기의 박테리아를 검출하고 측정할 수 있다(10).
6. 스팩트로그래피 기술
6.1. Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR)
FTIR 스팩트로스코피는 식품업, 진단 실험실 및 의료센터에서 박테리아를 빨리, 저렴하게 및 일상적으로 분석할 수 있는 도구이다. 이는 식품업계에서 식품처리 및 저장 중에 미생물 안전을 평가하는 식품안전관리인증 (HACCP) 시스템을 관리하는데 유용하다. 이 기술은 박테리아의 생화학적 지문을 몇 분만에 저렴하게 제공한다. 각각의 박테리아 종들은 특정한 세포벽 혹은 세포막 성분을 가지며 분자 진동에 의하여 특정적으로 IR 지문을 보인다. 과학자들은 살코기의 부패정도를 검사하고 박테리아 수, pH 및 질을 여러 온도와 저장조건에서 FTIR과 계량화학적 방법으로 검사하였다(11).
6.2. 라만 스팩트로그래피
식품과 의학분야에서 라만 스팩트로그래피는 온전하고 전체적인 박테리아 세포들을 효과적으로 검출할 수 있다. 스팩트라를 몇 초안에 기록할 수 있고 결과는 여러 통계 도구에 의 수분만에 얻을 수 있다. 그러나 이는 샘플에 표적 미생물이 존재하고 라만 측정이 가능 하여야만 한다. 과학자들은 기기분석기술과 나노배열을 통합하여 개선된 결과를 얻을 수 있는 새로운 방법을 모색하고 있다(12).
6.3. Hyperspectral Image 및 THz 방사기술
Hyperspectral imaging (HSI) 기술은 실시간 식품품질을 관리하는 새로운 기술이다. 이는 식품의 색, pH, 수분함유 능력 및 유연성 등의 품질을 체크할 수 있고 화학성분 및 미생물 오염들을 검출할 수 있다. 이 방법으로 여러 다른 식품들의 생균수를 5 - 9 Log10 CFU/g까지 측정할 수 있었다(13)
테라헤르츠 방사 (THz radiation)는 여러 미생물 연구에 사용되며 특히 그램 타입 박테리아를 몇분 안에 검출할 수 있다. 5개의 박테리아 ATCC 종들 (E. coli DH5a, B. subtils, 168, Serrtia marcescens 및 S. epidemidis)을 THz 방사로 조사하였고, 미지의 샘플에서 그램 타입 박테리아를 선택적으로 확인할 수 있었다.
7. 결론
현재에도 박테리아는 우리들의 건강, 식품 및 물의 안전에 위험이 되며 경제적으로도 피해하 크다. 따라서 그때, 그때 생명에 위협이 되는 박테리아를 검출하는 스마트한 방법이 필요하다. 최근 과학자들이 배양이 필요 없고, 간단하고 저렴하게 현장에서 검출하는 새로운 방법을 소개 하였다. 이들은 효소반응 나노 플라스마 바이오센서로 실시간 특정 및 선택적으로 박테리아를 검출할 수 있는 DNAzyme-intergrated plasmonic nanosensors (DIPNs)를 소개하였다. 새로운 진단방법으로 여러 기기들을 공동으로 사용하는 방법과 면역학적 실험과 전기센서들을 통합 사용하는 방법들도 등장하였다. 아울러 진보한 검출기기와 이들의 데이터를 해석하는 방법에 많은 진보가 있었다.
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