물벼룩 심장 박동으로 미세 독성 읽는다

-표준연, 시간당 150마리 규모 물벼룩 심박수 자동 측정·분석 시스템 개발-

-기존 시험법 대비 저농도 독성 민감하게 포착… 수생태계 안전성 평가 정밀도 제고-

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한국표준과학연구원(KRISS, 원장 이호성)이 물벼룩의 심장 박동을 자동으로 측정·분석하는 독성평가 시스템을 개발했다. 시간당 150마리 수준의 심박수 데이터를 처리할 수 있어, 소수 개체의 평균값에 의존하던 기존 방식보다 저농도 오염물질의 독성 영향을 더 민감하게 평가할 수 있다. 이는 환경 유해물질의 초기 위험 신호를 조기에 포착하는 데 도움이 될 것으로 기대된다.

▲ KRISS가 독성평가 연구에 활용한 물벼룩의 현미경 사진

물벼룩은 기르기 쉽고 재현성이 높으며, 몸이 투명해 장기 관찰에 용이하다. 때문에 수생 환경 독성평가에 널리 활용되는 생물이다. 현재 국제 표준 독성평가 시험법인 ‘OECD 202’는 육안으로 유영 저해 여부를 판별해, 실험자의 주관에 따라 측정값에 편차가 발생하는 한계가 있다. 이를 보완할 정량적 지표로 심박수 측정이 주목받고 있으나, 초당 약 6~8회에 달하는 빠른 심장박동을 눈으로 오차없이 측정하기는 어려웠다.

KRISS 연구진은 이를 해결하기 위해 물벼룩 심박수를 자동 측정·분석하는 시스템을 개발했다. 면직물에 고정한 물벼룩 심장 부위를 고속 이미징으로 촬영하고, 반복되는 명암 변화 신호를 기록해 심박수를 자동으로 계산하는 방식이다. 측정 데이터는 시스템에서 실시간으로 산출되며, 이후 분석을 통해 독성 반응을 확인할 수 있다.

▲ KRISS가 개발한 다수 물벼룩 심박수 기반 환경·나노물질 독성평가 시스템 개요

▲ KRISS가 개발한 물벼룩 심박수 확률분포 분석 기법

 

연구진은 이 시스템을 활용해 독성물질 노출에 따른 물벼룩 심박수 변화를 시간당 150여 마리 규모로 동시에 수집·분석했다. 이러한 대량 분석을 통해 개체별 반응 분포를 파악하여 분석 정밀도를 한층 끌어올렸다.

이번 시스템은 데이터 분포를 통해 개체 간 미세한 차이는 물론, 기존 방식으로는 확인이 어려웠던 저농도·비치사성 독성까지 포착할 수 있다. 또한 장비 설계가 직관적이고 간편해 다양한 연구 환경과 여러 물질에도 유연하게 적용할 수 있어 높은 확장성을 갖췄다. 향후 하천 및 호수 등 수생태계에 존재하는 화학물질과 나노소재의 위해성 평가에 활용될 것으로 기대된다.

▲ KRISS가 개발한 물벼룩 심박수 자동 측정·분석 시스템으로 물벼룩의 심박수를 측정하고 있다.

이번 성과는 KRISS와 KIST 유럽연구소의 공동연구의 결과다. KRISS가 주도해 개발한 이 시스템은 KIST 유럽연구소 현지에 설치됐으며, KIST 유럽연구소는 이를 활용해 나노물질 독성평가 실험과 데이터 검증을 수행했다.

▲ 다수의 물벼룩 심박수 기반의 환경 독성 및 나노물질 독성 평가 시스템 개발 연구진

(앞줄부터 시계방향으로 KRISS 권익환 선임연구원, 이태걸 책임연구원, 이상원 책임연구원)

KRISS 나노바이오측정그룹 권익환 선임연구원은 “이번 시스템은 수생환경 독성평가의 정밀도를 높인 기술로, 향후 나노물질 독성평가 분야는 물론 심장 오가노이드 등 인체 유사 모델에도 적용할 수 있도록 고도화해 나갈 것”이라고 밝혔다. 이어 이태걸 책임연구원은 “KRISS가 개발한 이 시스템은 KIST-Europe 현지 연구실에 설치돼 Horizon Europe 과제인 CHIASMA 수행에 활용 중이며, 향후 국내 장비개발업체와의 기술이전을 통해 전 세계 심장독성 연구팀으로 확산해 나갈 계획이다“라고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 기반구축사업 등으로 수행됐으며, 연구결과는 환경 분야 학술지인 Journal of Hazardous Materials(IF: 11.3)에 지난 3월 게재됐다.