J Appropr Technol > Volume 8(1); 2022 > Article
사람의 체온을 이용한 총대장균군 현장 검출 키트 개발

Abstract

기술의 발달로 깨끗한 물에 대한 접근성이 높아졌으나, 매해 전 세계 340만 명의 사람들이 수인성 질병으로 사망하고 있다. 현재 수인성 질병을 일으키는 병원균을 검출할 수 있는 장비가 존재하지만, 검출 장비를 사용하기 위한 전력 공급이 어렵거나, 검출 장비를 구매하기 어려운 지역에서는 검출 장비에 대한 접근이 어려운 상황이다. 본 논문에서는 위와 같은 어려움을 겪는 지역에서 사용할 수 있는 체온을 이용한 총대장균군 검출 키트에 대해 다루고자 한다. 체온을 이용한 총대장균군 검출 키트인 “콜리퀀트”는 효소기질이용법을 기반으로 효소에 의해 발색 반응을 나타내는 기질이 포함된 시료 튜브에 검사할 물을 넣고, 체온을 이용해 총대장균군을 배양한 뒤, 물의 색 변화를 통해 총대장균군의 유무를 판단하는 방법으로, 검출 키트만 있다면 누구나 현장에서 총대장균군을 검출할 수 있다. 또한 수백만 원 이상의 총대장균군 검출을 위해 사용되는 기존의 장비에 비해 낮은 가격(3,000원/$3)으로 총대장균군 검출이 가능하므로, 중저개발국가에서도 큰 비용부담 없이 사용할 수 있다. 본 논문에서는 체온을 이용하는 총대장균군 검출 키트의 연구 과정을 다루면서, 해당 기술이 가지는 사회적 가치를 제시하고자 한다.

Technological advances have increased access to clean water, but 3.4 million people around the world die from waterborne disease every year. Currently, there is equipment capable of detecting pathogens that cause waterborne disease, but access to detection equipment is limited in areas where power supply to use detection equipment is unavailable or where standard detection equipment is too expensive to purchase. In this paper, we will deal with the total coliform detection kit using body temperature that can be used in areas suffering from above difficulties. ColiQuant, total coliform detection kit using body temperature, is a method of putting sample water in a tube containing a substrate that shows a color reaction by an enzyme, culturing the total coliform using body temperature, and determining the presence of the total coliform through color change. In addition, it is possible to detect the total coliform at a lower price (3,000 won/$3) than existing equipment of millions of won or more, so it can be used easily in developing and underdeveloped countries. This paper introduces the research and development process of the total coliform detection kit using body temperature and present the social value of the ColiQuant.

Introduction

기술의 발달로 깨끗한 물에 대한 접근성이 높아졌으나, 여전히 매해 전 세계 약 340만 명의 사람들이 수인성 질병으로 사망하고 있다(UNEP, 2018). 수인성 질병은 병원성 미생물을 섭취하거나 접촉할 때 발병할 수 있는 질병으로, 바이러스성 간염, 장티푸스 및 콜레라와 같은 급성 설사병 등이 이에 해당한다. 이를 예방하기 위해서는 사람이 섭취하거나 접촉하는 물이 병원성 미생물에 의해 오염되었는지 검증하는 것이 중요하다. 이때 물의 오염 여부를 판단할 수 있는 지표로 병원성 미생물을 포함하는 총대장균군의 검출 여부를 사용한다(Heijnen and Medema, 2006).
물의 오염 여부 판단을 위해 총대장균군을 검출하는 과정에서, 기존 샘플을 채취한 자연의 상태로는 총대장균군을 정확히 검출하기 어렵다. 따라서 총대장균군 배양을 통해 증식시켜 검출하기 용이한 환경을 조성하는 장비가 필요하다. 현재는 총대장균군의 증식에 알맞은 환경을 갖추기 위해 배양기를 사용하거나 정확한 분석을 위해 PCR (polymerase chain reaction) 방식의 검사 장비를 사용하고 있다. 하지만 PCR 장비의 경우 일반적으로 가격이 1,700만 원 이상이며, 총대장균군 검출을 위한 다양한 방법에 필요한 배양기 가격도 수백만 원 이상이다. 앞서 제시한 두 종류의 장비를 포함한 대부분의 대장균 검사방법은 전력이 공급되어야 한다.
이에 고가의 장비를 구매할 수 없거나 전력을 공급하기 어려운 지역에서는 현재 사용되는 총대장균군 검출을 위한 대다수의 장비를 사용하기 어렵다는 한계가 있다.
본 논문에서는 위와 같은 한계를 극복하기 위해, 총대장균군 검출 시 전력공급이 필요한 고가의 장비 및 방법 대신 효소기질이용법을 활용하여 저렴한 방법으로 사용이 가능한 총대장균군 검출키트를 개발하고, 사람의 체온을 이용해 배양기를 대체할 수 있는 기술을 연구하고자 한다. 이때 총대장균군의 증식에 알맞은 환경을 갖추는 과정에서 장비를 대체할 요소로 체온을 선택한 이유는 총대장균군의 일반적인 적정 배양온도인 35±0.5°C와 사람의 체온이 비슷하기 때문이다.
총대장균군 검출 시 체온을 이용하는 기술의 실사용 가능성을 검증하기 위해서는 다음과 같은 사항을 고려해야 한다.
체온(36.5°C)과 총대장균군 적정배양 온도(35±0.5°C)에는 차이가 존재하므로, 체온을 이용하여 총대장균군을 배양하고 검출하는 것이 가능한지 확인해야 한다. 또한, 누구나 검출 기술을 사용하고 검출 결과를 판단할 수 있으며, 특수한 문화적, 사회적, 물리적 환경에서도 보편적으로 사용할 수 있도록 해야 한다.
본 논문에서는 총대장균군 검출 시 총대장균군을 증식시키는 과정에서 체온을 이용하는 기술의 총대장균군 검출 가능 여부를 검증하고, 중저개발국가에서도 누구나 총대장균군 검출 기술을 편리하게 사용할 수 있도록 키트 디자인을 개발하는 과정을 다루며, 해당 기술의 실사용 가능성을 검증한다. 이를 바탕으로 체온을 이용한 총대장균군 검출 키트의 적정기술로서의 가치를 제시하고자 한다.

Materials and Method

연구(PiQuant, 2020)는 2가지 방향으로 진행한다. 체온을 이용한 총대장균군 검출 기술을 실제로 사용하기 위해서는, 해당 기술의 총대장균군 검출 기술이 총대장균군을 검출할 수 있는지 검토해야 한다. 또한, 체온을 이용한 총대장균군 검출 기술을 사람들이 사용하기 위해서는 불편함 없이 이 기술을 사용할 수 있는 형태를 갖춰야 하므로, 체온을 이용한 총대장균군 검출 기술을 편리하게 사용할 수 있는 키트 디자인을 개발해야 한다.

1. 효소기질이용법

체온을 이용해 총대장균군을 검출하는 기술은 먹는물수질공정시험에서 총대장균군 검출에 사용하는 효소기질이용법(Ministry of Environment, 2015)을 사용한다.
효소기질이용법은 총대장균군에 특이적으로 존재하는 효소인 β-D-galactopyranosidase와 대장균에 특이적으로 존재하는 효소인 β-D-glucuronidase, 그리고 해당 효소들에 반응하는 기질을 포함하는 시료를 섞어, 적정 시간 동안 35±0.5℃의 온도에서 배양한다. 배양의 과정에서 총대장균군과 대장균에 특이적으로 존재하는 효소와 반응하는 기질이 가수분해된다(Lee et al., 2009).
Figure 1을 살펴보면 샘플의 색이 노란색으로 변화하는 것을 통해 총대장균군의 존재 여부를, 365 nm 파장을 가진 자외선을 조사(照射)하여 나타나는 형광 발현을 통해 대장균의 존재 여부를 판단할 수 있다. 좌측부터 깨끗한 물, 총대장균군이 포함된 물, 대장균이 포함된 물이다.

2. 체온을 이용한 총대장균군 검출기술

먼저 효소기질이용법에 맞추어 제작한 “콜리퀀트”가 먹는 물수질공정시험기준에 맞춰 100 mL 샘플 기준에서도 동작하는지 확인하기 위해 총대장균군 배양 적정 온도인 35oC±0.5oC에서 4가지 조건(0CFU/100 mL, 1CFU/100 mL, 10CFU/100 mL, 100CFU/100 mL)을 가진 100 mL 샘플에 대한 총대장균군 검출 시험을 진행하였다.
체온을 이용한 총대장균군 검출 기술을 적용하여 키트를 제작했을 때, 인체에 부착이 편리하도록 작은 크기의 총대장균군 검출 용기가 필요하다. 따라서 100 mL보다 더 적은 물 용량에서도 총대장균군 검출이 가능해야 한다. 이를 검증하기 위해 10 mL 용량의 샘플에 대해 4가지 조건(0CFU/10 mL, 1CFU/10 mL, 10CFU/10 mL, 100CFU/10 mL)을 설정하였다. 또한 다양한 배양 온도조건에서 검출키트가 동작하는지 여부를 확인하기 위해 4가지 샘플 조건 각각에 대해 3가지 배양 조건{35oC, 30oC, 체온(36.5oC±0.5oC)}을 설정하였다. 해당 시험은 총 12가지의 서로 다른 배양조건과 샘플 조건을 가진 10 mL 용량의 샘플로 진행되었으며, 24시간 동안 배양기를 사용해 35oC, 30oC에서 시험하였고, 체온 조건의 경우는 인체에 부착하여 총대장균군 검출 시험을 진행했다.

3. 체온을 이용한 총대장균군 검출 기술을 반영한 제품 디자인

체온을 이용한 총대장균군 검출 기술을 사용자가 편리하게 사용할 수 있도록 하기 위해서는 인체에 적합한 키트 디자인을 갖춰야 한다. 따라서 총대장균군을 검출하고자 하는 샘플을 담기에 용이한 튜브의 디자인과 튜브를 몸에 탈부착할 때 불편하지 않을 고정부 디자인, 2가지 측면에서의 고려가 필요하다.
첫째로, 총대장균군을 검출하고자 하는 샘플을 담는 튜브는 검출을 위한 샘플 채취에 용이한 구조를 가져야 한다. 또한 총대장균군이 포함된 샘플을 튜브에 담고 체온을 이용해 배양할 때 튜브의 물이 새지 않도록 해야 한다. 마지막으로, 튜브의 색상은 효소기질이용법을 사용하여 총대장균군 검출을 진행할 시 노란색으로의 색 변화 확인이 쉽도록 제작해야 한다.
둘째로, 체온을 이용한 총대장균군 검출 시, 샘플이 담긴 튜브를 몸에서 탈부착하는 것이 편리해야 하며, 인체에 부착했을 때 불편하지 않을 크기의 용량을 고려하고, 튜브를 부착 시 몸에 상처가 나지 않도록 하는 구조로 제작해야 한다. 또한, 샘플이 담긴 튜브 제작 시 다양한 체격의 사용자가 사용할 수 있는 부착 구조를 고려해야 한다.

Results and Discussion

체온을 이용한 총대장균군 검출 기술이 실제로 총대장균군을 검출할 수 있는지 검토하고, 해당 기술을 편리하게 사용할 수 있는 키트 디자인에 대한 연구의 결과는 다음과 같다.
한국수자원공사에서 진행한 먹는물수질공정시험 방법의 하나인 효소기질이용법을 사용한 총대장균군 검출 시험 결과, 100 mL 용량에 대해 총대장균군 검출한계 국제 기준인 1CFU/100 mL를 달성하였다. 이를 통해 효소기질이용법을 이용하여 총대장균군 검출이 가능하다는 점을 확인할 수 있었다.
한국수자원공사에서 효소기질이용법을 사용한 총대장균군 검출 시험 결과는 Table 1에서 확인할 수 있다.
이를 바탕으로 총대장균군 검출 키트의 실사용 가능성을 높이기 위해, 100 mL보다 적은 용량에서 체온으로 총대장균군을 배양하였을 때, 총대장균군을 검출할 수 있는지 검증할 필요가 있었다. 이에 10 mL 용량에 대한 4가지 샘플 조건(0CFU/10 mL, 1CFU/10 mL, 10CFU/10 mL, 100CFU/10 mL)을 3가지 배양 조건(35oC, 30oC, 체온)으로 배양하는 시험도 자체적으로 진행하였다.
시험 결과 10 mL의 샘플에서도 음성, 1CFU, 10CFU, 100CFU의 총대장균군 검출이 가능함을 확인할 수 있었고, 시험 결과는 Table 2에서 확인할 수 있다. 본 시험을 통해 간편한 방법으로 총대장균군의 검출/불검출을 확인할 수 있음을 확인하였다.
체온을 이용한 총대장균군 검출 기술의 결과를 바탕으로, 해당 기술을 통해 사용자가 부착하여 편리하게 사용할 수 있도록 키트를 디자인하였다. 검출 샘플 채취와 검출결과 확인에 용이한 형태까지 고려하여 제작된 체온을 이용한 총대장균군 검출 튜브는 Figure 2와 같다.
Figure 3은 총대장균군 검출을 위한 샘플 채취 시, 쉽게 물을 빨아들일 수 있도록 스포이트 형태로 제작하였으며, 물이 새지 않도록 뚜껑을 제작하였다. 또한, 튜브에는 총대장균군의 검출에 필요한 시료를 포함시켜, 물만 빨아들이면 바로 사용할 수 있도록 하였다.
총대장균군 검출을 위해 튜브를 인체에 부착했을 때 불편하지 않도록, 4 mL와 10 mL 용량의 튜브 사이즈를 개발하여, 성인 뿐만 아니라 어린아이도 사용할 수 있도록 하였다. 또한 총대장균군 검출 시험 결과를 눈으로 쉽게 확인할 수 있도록 튜브는 투명한 소재를 사용하였다.
총대장균군 검출을 위해서는 튜브를 체표면에 부착한 상태로 16-24시간 유지해야 하므로, 총대장균군 검출 샘플이 담긴 튜브를 몸에 탈부착하는 과정에서 몸에 상처가 나는 것을 최소화하고 편리하게 탈부착할 수 있도록 팔찌 형태로 키트를 제작하였다. 또한, 다양한 체격을 가진 사람들이 사용 가능하도록 시계줄과 같이 개인의 팔목 사이즈에 맞게 조절이 가능한 형태로 Figure 4와 같이 키트를 제작하였다.
이에 더하여 총대장균군 검사를 위한 국제 기준을 충족하기 위해서는 100 mL 용량의 물 샘플에서도 총대장균군 검출이 가능해야 한다. 따라서 100 mL에서도 총대장균군 검출이 가능한 시약전용키트를 개발하였다. 해당 키트의 경우, 기존 파이퀀트에서 제공하는 살균용기를 사용할 수도 있지만, 버려지는 다양한 플라스틱 용기도 재활용이 가능해 친환경적인 요소를 포함하였다. 현재 100 mL용 시약전용 키트의 양산을 진행하고 있으며, 시약전용 키트는 Figure 5와 같다.
본 연구를 통해 한국수자원공사로부터 이전 받은 ‘체온을 이용한 총대장균군의 검출방법’에 관한 특허를 추가 연구, 개발하여 개량특허를 출원했고, 이를 바탕으로 “콜리퀀트” 상용화에 성공했다. 현재 파이퀀트는 다양한 국내/외 NGO 등을 대상으로 파트너십 체결 등 제품의 시장 진출을 확대해나가고 있다.

Conclusion

본 연구를 통해 총대장균군을 피부에 부착하여 언제 어디서나 배양이 가능하고, 전문가 없이도 검출 결과를 쉽게 색깔로 판단 가능하며, 저렴한 비용의 총대장균군 검출 키트인 “콜리퀀트”를 개발하였다. “콜리퀀트”는 가격이 비싸고 전력이 필요한 배양기 대신 체온으로 배양하는 방식을 채택했다는 점과 편리성, 저비용, 현장에서 누구나 사용가능한 활용성을 바탕으로 효과적이고 지불가능한 적절한 형태로 제공될 수 있다는 점에서 적정기술로서의 가치를 갖는다.
“콜리퀀트”는 고가의 장비 구매가 어렵거나 전력공급이 어려운 낙후된 지역에서 검출 장비를 사용하기 어려워 총대장균군 검출을 진행하지 못했던 문제를 해결할 수 있다. 또한, “콜리퀀트”만 있다면 누구나 쉽게 체온을 이용하여 총대장균군 검출이 가능하므로 물의 오염 여부를 판단하지 못해 수인성 질병으로 사망하는 사람들의 생명을 구하는데 기여할 수 있는 사회적 가치를 창출할 수 있을 것이라 기대한다.

Acknowledgments

본 연구는 한국 수자원 공사의 ‘체온을 이용한 총대장균군의 검출방법’ 특허를 이전 받아 연구개발특구진흥재단의 R&BD 연구개발특구육성사업으로 진행되었습니다.

Notes

Fund

This work was supported by the INNOPOLIS’s program called ‘Technology commercialization capacity building project’ funded by Ministry of Science and ICT (No. 2020-DD-RD0197-01-101).

Figure 1.
Measurement of Total Coliform using Enzyme-Substrate Method
jat-2022-8-1-27f1.jpg
Figure 2.
The test results (100 ml) according to the presence or absence of the total E. coli group are negative, 1 CFU, 10 CFU, and 100 CFU in order from the left
jat-2022-8-1-27f2.jpg
Figure 3.
Total coliform detection tube using body temperature (4 mL dose)
jat-2022-8-1-27f3.jpg
Figure 4.
Bracelet type total coliform detection kit
jat-2022-8-1-27f4.jpg
Figure 5.
Reagent kit for 100 mL
jat-2022-8-1-27f5.jpg
Table 1.
The results of the total coliform detection test using the enzyme-substrate method (K-Water test results)
Sample volumn Temperature Blank 1CFU 10CFU 100CFU
100 mL 35℃ - + + +

(: Not detected, +: Detected)

Table 2.
Results of total coliform detection test using the enzyme-substrate method
Sample volume Temperature Blank 1CFU 10CFU 100CFU
10 mL 30℃ - - - +
35℃ - + + +
Body temperature - + + +

(: Not detected, +: Detected)

References

Heijnen, L., and Medema, G. (2006). Quantitative detection of E. Coli, E. Coli O157 and other shiga toxin producing E. Coli in water samples using a culture method combined with realtime PCR. J Water Health, 4(4), pp. 487-498.
crossref pmid
UNEP. (2018). Sudan Post-Conflict Environmental Assessment, UNEP,https://postconflict.unep.ch/publications/UNEP_Sudan.
Lee, K. H., Kim, H. S., Kim, B. R., Lee, S. H., In, C. K., and Park, K. R. (2009). Fluorogenic and Chromogenic Assay for Rapid Detection of Escherichia coli and Total Coliform Bacteria. Journal of Korean Society on Water Quality, 25(3), pp. 363-369.
Final report of project for enhancement of technology commercialization capability, (2020). Ministry of Science and ICT, pp. 1-67.
Ministry of Environment. (2015). Environmental standard methods for drinking water, 2015-214, Ministry of Environment, pp. 1-4.
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