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Next Tech 2030
다제내성균, 병원 및 실외에서 검출
나고야대학, AI와 나노테크놀로지 활용

최근 항성물질이 듣지 않는 다제내성균(多劑耐性菌)이 감염질환 치료에서 문제가 되고 있다. 나고야대학의 바바(馬場) 교수 팀은 인공지능(AI)와 나노테크놀로지를 활용해 다양한 내성균을 병원이나 실외에서 검출할 수 있는 장치 개발을 추진하고 있다. 연구팀의 목표대로 2030년경에 병원이나 학교 등으로 보급될 수 있다면 병에 대한 저항력이 낮은 고령자나 어린이들로 감염이 확대되는 것을 막을 수 있을 것이다. 연구팀은 항생물질의 남용으로 내성균이 확대되고 있는 인도 등 개발도상국들에서의 이용도 시야에 넣고 있다.

-- 니고야대학, AI와 나노테크놀로지 활용 --
나고야대학의 한 연구동. 연구팀이 투명한 수지 판을 세로 21cm, 가로 35cm, 높이 18cm의 측정장치에 넣어 전압을 가하자, 컴퓨터 화면에 절선 그래프와 같은 신호가 나타났다. “이 신호의 파형을 AI에게 학습시키면 다양한 세균을 높은 정밀도로 식별할 수 있다”라고 바바 교수는 설명한다.

이것은 바바 교수가 규슈대학 및 오사카대학과 개발한 장치이다. 내각부의 혁신연구개발추진프로그램(ImPACT)의 지원으로 2014년부터 연구를 추진해왔다. 반도체의 가공기술로 만든 미세한 통로를 가진 소자 안으로 세포와 미세한 입자들을 통과시키면 세균 등의 크기와 형태에 따라 전류의 파형이 불규칙해진다.

파형을 학습한 AI가 파형의 약 60가지 특성을 바탕으로 세균의 종류 등을 식별한다. 직경이 약 1마이크로미터의 황색포도상구균과 폴리스티렌 수지를 100%의 확률로 구별해낸다. 같은 황색포도상구균이라도 항생물질에 내성을 가진 다제내성균은 세포벽이 두꺼워지는 경향이 있다. 전류의 파형도 달라지기 때문에 98%의 확률로 식별해낸다. 세포막이 두꺼운 고초균(枯草菌)과 얇은 대장균도 99%의 확률로 식별했다.

“소자에 흐르는 전류로 인해 세균의 세포막에 구멍이 생기면 내부의 이온이 흘러나와 전류가 불규칙해지는 것이라고 생각된다”라고 바바 교수는 검출 원리를 설명한다. 나고야대학이 장치를, 오사카대학이 AI 프로그램을 만들었다. 장치 본체는 무게가 4kg 이하로 휴대가 가능하다.

현재는 배양한 세균을 연구실에서 측정하고 있는 단계로, 실질적으로 병원이나 실외 등에서의 이용을 상정하고 있다. 휴대전화 등으로부터 나오는 전자파가 난무하는 환경에서는 노이즈가 크기 때문에 기존의 측정 기술은 실험실 밖에서는 사용이 어려웠다. 이를 해결하기 위해 소자를 포함한 전기 회로에 여분의 전류를 빠져나가도록 하는 ‘브리지회로’를 연결. 세균 식별에 방해가 되는 전기 노이즈를 100만분의 1로 낮췄다.

연구팀은 2018년 12월부터 나고야대학 의학부에서 시용을 시작했다. 올해 안에 제약회사와 식품 등의 공장에서 세균의 종류를 조사. 이 밖에도 병원과 개호(介護)시설, 학교에서의 여러 가지 세균 및 약제내성균을 식별할 수 있는지를 확인할 계획이다. 2022년까지 임상연구와 임상시험을 실시. 2023년부터 시장 투입을 시작하고 2030년에는 병원과 공장 등으로 보급하는 것을 목표로 하고 있다.

ImPACT에서 프로그램 매니저를 맡고 있는 나고야대학의 미야타(宮田) 특임교수는 “앞으로 IoT장치를 통해 정보를 수집해 세계 각지의 감염병이나 내성균이 어떻게 확산되는지를 알 수 있게 된다면 예방에 도움이 될 것이다”라고 말한다.

장치의 핵심이 되는 플라스틱 수지칩은 일회용. 장치는 1대에 수십만 엔으로 양산이 가능할 것으로 보인다.

-- 감염 확대, 인류의 위협으로 --
다제내성균은 인류의 위협이 되고 있다. 세계보건기구(WHO)는 올해 들어 기후변동, 대기오염과 함께 건강에 위협을 주는 것으로 다제내성균을 뽑았다.

세균 등의 미생물은 빈번하게 유전자 변이를 반복한다. 특정 항생물질이 대량으로 이용될 경우 그 약에 내성을 가지고 살아남도록 변이된 세균들이 늘어난다. 이것이 다제내성균이다. 일본에서도 녹농균(綠膿菌)과 대장균의 내성균이 산발적으로 반복해서 출현하고 있다.

다제내성균의 위협에서 벗어나기 위해 미국과 일본, 유럽 등 선진국에서는 항생물질의 남용을 막는 움직임이 추진되고 있다. 하지만 인도 등에서는 항생물질의 남용으로 내성균이 만들어지기 쉬운 환경에 있다고 한다.

감염질환으로 인한 전세계 사망자는 연간 1,500만명. 중증급성호흡기증후군(SARS)와 신형 인플루엔자, 결핵과 뎅기열 등이 확대될 위험성도 커지고 있다. 감염 환자에게 최후의 희망인 항생제가 듣지 않는 내성균을 조기에 발견해 검역 등을 통해 감염 확대를 막을 필요가 있다.

나고야대학이 시작한 장치는 병원과 실외에서도 사용이 가능한 것이 특징이다. 신흥국과 개발도상국 등 내성균이 만들어질 위험성이 큰 지역에서의 감염 확대 방지에 도움이 될 가능성이 있다.

▶ 세균의 연구 역사
- 16세기: 네덜란드의 얀센 부자가 현미경 발명
- 17세기: 네덜란드의 레벤후크가 현미경으로 미생물 등을 관찰
- 19세기: 페스트균의 병원균 잇따라 발견
- 1928년: 영국의 알렉산더 플레밍이 페니실린을 발견
- 1960년대: 페니실린의 내성 세균에 의한 감염 확산이 문제로 대두
- 2014년: 내각부의 프로젝트로 다제내성균을 검출하는 장치 개발이 시작됨
- 2030년경: 병원과 학교 등에 장치가 보급. 신흥국이나 개발도상국에서도 이용

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