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Nikkei X-TECH_2022.4.5

박테리아가 사람이 느끼는 ‘맛있다’를 판정
NICT, 새로운 센서 기술 개발

정보통신연구기구(NICT) 미래ICT연구소 바이오ICT연구실의 다나카(田中) 연구팀은 용액을 넣은 박테리아의 움직임을 관찰해 음료의 종류를 알아내거나, 혈액이나 땀의 이상을 조사하는 등의 식별 기술을 개발했다. 음료 및 식품의 신제품 개발이나, 혈액이나 땀과 같은 검체를 통해 컨디션을 판단하는 헬스테크 분야 등에서의 응용 가능성이 있다.

이번 기술은 많은 박테리아가 가지고 있는 ‘주화성(走化性)’의 성질을 기본원리로 하고 있다. 박테리아는 자신에게 바람직한 물질(유인물질)이 있으면 편모(鞭毛)를 시계 반대 방향으로 회전해 접근하고, 바람직하지 않은 물질(기피물질)이 있으면 편모를 시계 방향으로 회전시켜 멀어진다. 이러한 성질을 이용해 한 개체의 박테리아 편모의 회전 방향을 보면 주위 물질이 유인물질인지 기피물질인지를 알아맞힐 수 있다.

다나카 연구팀은 이번에 이러한 기본원리를 발전시켜 수천 마리의 박테리아(대장균) 움직임을 분석해 복잡한 용액 추정을 실시했다. 관찰하는 것은 편모 회전방향의 시간 추이. 용액을 넣은 후 600초간 시계방향 회전을 나타내는 개체 비율 추이를 측정하여 용액 별로 데이터베이스화했다. 데이터베이스화한 후, 정체불명의 물질을 투여했을 때의 편모의 움직임을 관찰하고 축적된 데이터와 대조해 그 물질을 알아내는 구조이다. 사람의 주관은 일체 관여되지 않는다고 한다. 기반이 되는 방법은 베이스 추정으로, 기계학습도 활용되었다.

수천 마리라고 하는 대량의 박테리아를 사용하는 것은 주화성의 개체 차이의 영향을 없애기 위해서이다. 개체에 따라 조금씩 다른 반응을 보이기 때문에 개체 수가 적으면 개체 차이의 영향을 강하게 받게 된다. 대량의 개체를 마련해 평균화하면, 같은 용액에는 같은 반응을 나타낸다고 하는 재현성을 확보할 수 있다.

이러한 식별 방법은 용액의 미세한 차이를 구별할 수 있다. 예를 들어, 보리차와 우롱차라는 비교적 알기 쉬운 식별뿐만 아니라, A사 제품과 B사 제품의 우롱차 식별, 쌀뜨물을 통한 산지 추정 등이 가능하다고 한다. 같은 용액의 다른 농도에 대한 반응을 사전에 각각 데이터베이스화해 두면 농도도 특정할 수도 있다.

박테리아의 움직임으로 용액의 내용을 추측하는 기술은 이전에도 있었지만, NICT에 따르면, 그러한 기술은 물질을 특정할 수 있지만 농도를 알 수 없거나, 물질을 이미 알고 있는 상태에서 그 농도를 특정하는 등의 한정적인 추정이었다고 한다.

한편, 이번 기술은 물질과 농도를 동시에 추정할 수 있을 뿐만 아니라, 음료와 같은 혼합용액으로도 식별이 가능하다. 즉, 투입하는 화학물질의 종류나 농도, 단일인지 혼합인지 등에 관계 없이 다양한 대상물에 범용적으로 이용할 수 있다는 메리트가 있다.

하지만 문제는 정밀도이다. 다나카 연구팀에 따르면, “식별하고 싶은 화학물질에 따라 정밀도는 제 각각이다”라고 한다. 예를 들어 앞에서 서술한 보리차와 우롱차를 식별하는 경우는 정밀도가 약 93%이지만, 우롱차 간의 식별에서는 약 75%로 떨어진다.

박테리아가 특이하게 반응하는 화학물질의 경우에는 다른 것과 구별하기 쉽지만, 비슷한 반응 데이터가 또 있으면 식별이 어렵기 때문이다. 이러한 과제를 해결하기 위한 방법으로 “박테리아의 유전자를 개변함으로써(특이 반응을 나타내는 화학물질을 늘리는 방법으로) 높은 정밀도로 식별할 수 있는 대상을 확대하고 있다”(다나카 연구팀)라고 한다.

-- 사람이 맛을 보듯 식별 --
이번 기술에 대해 다나카 씨는 “화학물질의 ‘무엇인가가 다르다’를 정량화하는 기술”이라고 말한다. 예를 들어, 콜라처럼 안에 어떤 화학물질이 들어 있는지 불분명한 용액이라도 박테리아는 다른 용액과의 ‘무엇인가의 차이점’을 알아내고 구별할 수 있다. 이는 마치 사람이 맛을 보고 음식의 차이를 느끼는 것과 비슷하다.

이번 기술에 대해 다나카 씨는 “어느 용액에 대한 박테리아의 반응과 그 맛을 연결시켜 음료의 신제품 개발에 활용할 수 있을 것으로 전망된다”라고 말한다. 즉, 사람이 맛있다고 느끼는 물질에 대한 박테리아 반응의 특징을 찾아내고, 그와 비슷한 반응을 보이는 새로운 물질을 모색해 새로운 식품 개발로 이어질 수 있다.

“박테리아의 반응을 무엇과 연관시키느냐가 응용의 포인트이다. 그 ‘무엇’은 용액의 맛이라고 하는 감각적인 것뿐만 아니라, 검체에 나타나는 사람의 건강 상태와 같은 의료적인 것일 수도 있다. 다양한 분야에 응용해나가고 싶다”(다나카 씨). 현재는 식품 제조업체 등의 연구 협력처를 찾고 있는 단계라고 한다.

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