식품 위해인자 검출 및 방제를 위한 신규 프로브 개발 및 응용 연구

Abstract

생활 수준의 향상으로 건강하고 안전한 식생활을 통한 웰빙이 중요 화두가 되면서 삶의 질에 대한 국민적 관심이 높아지게 되었다. 이에 따라 식품의 안전 관리 및 안전에 위협이 되는 식품 위해인자에 대한 관리가 매우 중요시되고 있다. 식품 안전을 위한 관리는 크게 식품 위해인자의 신속 정확한 검출 및 모니터링과 위해인자 제어를 위한 위해물질 저감 기술 개발로 분류할 수 있다. 본 연구에서는 식품 안전의 효과적인 관리를 위한 식품 위해인자 검지 시스템으로써 축산 농가에서 많이 사용되는 동물용 항생제의 하나인 카나마이신의 고민감도 검출 압타센서 시스템을 개발하였으며, 위해물질 저감 기술 시스템으로는 압타머 기반의 감귤궤양병 친환경 방제제를 개발하였다. 첫째, 셀렉스 기술을 이용, 대상체인 카나마이신에 결합하는 압타머를 선별 후 이들의 결합력, 특이성 및 검출한계를 분석하였다. 이후 압타머 변형 및 분자 도킹 시스템을 통한 최적 압타머 서열을 결정하여 진단 탐침으로서의 수행력을 규명하였다. 최적화된 카나마이신 결합 압타머를 기반으로, 환원 그래핀 산화물과 형광 표지 압타머를 이용한 형광압타센서를 개발하여 카나마이신의 검출 민감도를 획기적으로 향상시켰다. 둘째, 종이 칩 상에서 금 나노입자와 최적화된 카나마이신 결합 압타머의 융합을 통해 색 변이 압타센서를 개발하여 별도의 측정 장비 없이 고감도, 저비용의 현장진단의 가능성을 증명하였다. 셋째, 감귤궤양병 원인균의 세포분열에 관여하는 FtsZ 단백질에 대한 압타머 스크리닝을 진행 후, 활성 저해 압타머를 선별하였다. 신규한 서열의 압타머가 기존 화합물 저해제 대비 향상된 저해 기능을 보유하고 있음을 확인하였고, 병원균의 생장 저해를 일으키는 것을 보임으로써 감귤궤양병 방제제로 적용 가능한 압타머를 개발하였다. 압타머는 표적 분자에 우수한 친화성 및 높은 특이성으로 결합하는 단일가닥 핵산 기반의 생체 적합성 탐침으로, 환원 그래핀 산화물 및 금 나노입자 등의 나노 물질과 압타머의 융합을 통해 높은 민감도와 선택도를 갖는 식품 안전 관리 시스템 개발이 가능함을 규명하였다. 또한 압타머 기반의 위해인자 방제 시스템 개발 가능성을 증명하였다. 결과적으로 본 연구 결과를 통하여 식품 안전을 위한 식품 위해인자 검출 및 저감 분야에 압타머가 신규 프로브로써 효과적으로 적용이 가능함을 확인할 수 있었다. 본 논문에서 제시한 압타머 기반의 식품 위해인자 검출 및 방제 연구는 동물용 항생제 및 감귤궤양병 원인균 뿐 아니라, 중금속, 농약, 환경호르몬, 식중독 균을 포함한 다양한 식품 위해인자 검출 및 실시간 모니터링 시스템에 효과적으로 응용될 수 있을 것이다.; With the improvement of the standard of living, well-being through healthy and safe dietary life became an significant issue. Thus, it is very important to manage the food safety and risk factors that pose a threat to safety. Management for food safety can be broadly divided into the rapid detection and monitoring of food risk factors and the development of hazard reduction technology for control of food risk factors. In this study, I developed an ultra-sensitivity detection system for Kanamycin, one of the antibiotics widely used in animal husbandry farms, for the effective management of food safety. Also, the system for reducing hazard substances has been developed as an aptamer based Eco-friendly prevention agent for citrus canker. First, I screened the Kanamycin binding aptamers using SELEX, and then analyzed the characteristics of aptamers. In addition, I validated the capability of optimized aptamer as a detection probe through truncation of aptamer and molecular docking system. I developed the fluorescent aptasensor using reduced graphene oxide and fluorescence labeled aptamer to improve the detection sensitivity greatly. Second, I developed the colorimetric aptasensor on the paper chip using gold nanoparticle and Kanamycin binding aptamer. I showed the possibility of Point-of-Care detection system with high sensitivity and low cost in the equipment-free site. Third, I conducted the screening of aptamer for FtsZ protein involved in cell division of Xanthomonas axonopodis pv. citri, the causative bacteria of citrus canker and selected the inhibitory aptamers for FtsZ activity. I confirmed that the aptamer showed higher inhibition potency than chemical inhibitor towards FtsZ and induced the growth inhibition of pathogenic bacteria. Through these results, I developed the aptamer as a prevention agent for citrus canker. Aptamer is a single-stranded nucleic acid based biocompatible probe that binds to target molecules with excellent binding affinity and high specificity. In addition, it is possible to develop the food safety management system with high sensitivity and selectivity through the fusion of nanomaterials such as reduced graphene oxide and gold nanoparticle and aptamers. It could be confirmed that the present invention might be effectively applied to detection and reduction of risk factors for food safety. In brief, aptamer based detection and reduction of food risk factors could be effectively applied to detection and real-time monitoring system not only antibiotics and citrus canker pathogen but also various food risk factors including heavy metals, pesticides, endocrine disruptors, food poisoning bacteria.