살아있는 박테리아를 이용한 스마트 알약 개발 [와우! 과학]

박테리아는 살아 있는 작은 화학 공업 단지나 마찬가지다. 동물 세포보다 작은 크기에도 생명현상 유지를 위해 복잡한 대사 과정을 유지하기 때문이다. 여기에 살기 적당한 환경을 찾기 위해 빛, 중력, pH, 화학물질, 열 등을 감지하고 적절한 반응을 할 수 있게 진화했다.

따라서 과학자들은 박테리아를 살아 있는 화학 공장이나 살아 있는 센서로 활용하는 방법을 연구했다. 다만 박테리아를 이용해 유용한 물질을 만드는 연구는 어느 정도 성과를 거뒀지만, 박테리아 센서는 이제 막 실용화 단계라고 할 수 있다. MIT와 보스턴 대학의 연구팀은 박테리아를 살아 있는 센서로 활용한 스마트 알약을 개발했다. 이 스마트 알약의 목표는 궤양성 대장염이나 크론병 같은 염증성 장질환(IBD) 환자에서 장내 염증 반응을 실시간으로 모니터링하는 것이다.

현재 염증성 장질환의 질병 경과는 내시경 검사와 환자의 증상 파악을 중심으로 이뤄지고 있다. 하지만 내시경은 자주 받기 어렵고 환자의 증상은 주관적인 데다, 이미 증상이 악화된 상황이면 염증이 꽤 진행된 상태일 가능성이 높다. 염증성 장질환이 심해질 때 나오는 산화질소 같은 물질은 반감기가 짧기 때문에 대변 검사나 일반 혈액 검사로는 알 수 없다. 연구팀이 직접 장 내부에서 물질을 감지하는 스마트 알약을 개발하게 된 배경이다. 쉽게 삼킬 수 있는 블루베리 크기의 스마트 알약에는 배터리와 초소형 전자기기, 그리고 유전자를 조작 박테리아가 들어 있다.

스마트 알약 안의 박테리아에는 산화질소에 반응해 생물 발광 물질을 만드는 유전자가 들어 있다. 덕분에 빛이 나오는 정도만 파악할 수 있는 저렴한 센서를 이용해 장내 염증 정도를 실시간으로 모니터링 할 수 있다. 기존의 산화질소 센서는 알약 형태로 만들기에는 너무 클 뿐 아니라 비싸서 실용성이 떨어졌다. 박테리아는 배양해서 스마트 알약에 담기만 하면 되기 때문에 제조 비용이 저렴하다. 그리고 유전자만 바꾸면 다른 물질을 감지하는 스마트 알약으로 쉽게 바꿀 수 있다. 세균만큼 작은 초소형 센서를 만들기 힘들다면 아예 세균 자체를 센서로 활용하는 발상의 전환이다.

연구팀은 돼지를 이용한 동물 모델에서 스마트 알약의 안전성과 성능을 검증했다. 앞으로 임상 시험을 거쳐 상용화되면 염증성 장질환 환자의 상태를 파악하는 것은 물론 다른 질병의 진단과 연구에 큰 도움이 될 것으로 기대된다. 

고든 정 과학 칼럼니스트 jjy0501@naver.com