사람들은 종종 대장균(Escherichia coli)을 오염된 음식과 연관시키지만, 대장균은 오랫동안 생명공학의 일꾼이었다. 캘리포니아 대학교 어바인 캠퍼스(UCI ; University of California, Irvine)의 과학자들은 이 박테리아가 물 속의 중금속 오염을 탐지하는 시스템의 일부로서 더 가치가 있다는 것을 증명했다.

대장균은 금속 이온의 존재할 때 생화학적 반응을 나타내는데, 연구원들은 화학적으로 조립된 금 나노 입자 광학센서(gold nanoparticle optical sensors)로 관찰할 수 있었던 약간의 변화이다.

크롬(Cr)과 비소(As) 노출에 반응하여 방출 된 대사 산물의 광학 스펙트럼에 대한 기계 학습 분석을 통해 과학자들은 세포 사멸을 유도하는 것보다 10억 배 낮은 농도의 금속을 검출 할 수 있었으며 중금속 유형과 양을 96 % 이상 정확하게 추론 할 수 있었다.

연구원들이 “약 10분 안에 완성될 수 있다”고 말한 이 과정은 미국 국립과학원 회보(Proceedings of the National Academy of Sciences)에 실린 연구의 주제다.

공동저자인 레지나 라간(Regina Ragan) 캘리포니아대학교 어바인 캠퍼스(UCI) 재료공학과 교수는 “UCI 연구진이 개발한 이 새로운 물 모니터링 방법은 매우 민감하고 빠르며 다재 다능하다”고 말했다.

라간 교수는 특히 “음용수와 관개수, 농업 및 산업 유출수에서 독소를 모니터링하기 위해 광범위하게 사용할 수 있다”라면서 “이 시스템은 인간의 건강과 생태계를 보호하기 위해 중금속 오염에 대한 조기 경보를 제공할 수 있다”고 강조했다.

대장균과 같은 박테리아가 안전하지 않은 물을 감지할 수 있다는 것을 증명하는 것 외에도 연구원들은 모니터링 시스템의 감도를 크게 향상시키는 분자 정밀도 및 기계 학습 알고리즘(machine learning algorithms)으로 조립된 금 나노 입자와 같은 다른 필수 구성 요소에 주목했다.

라간 교수는 “비소(As), 카드뮴(Cd), 크롬(Cr), 구리(Cu), 납(Pb) 및 수은(Hg)을 포함한 금속 독소를 오염의 조기 경고를 제공하기 위해 규제 한계 이하의 수준에서 발견하는 데 적용할 수 있다”고 말했다.

이 연구에서 과학자들은 “보이지 않는 수돗물과 하·폐수 샘플에 훈련된 알고리즘을 적용할 수 있다”고 설명했는데, 이는 이 시스템이 세계 어느 곳에서나 수원과 공급에 일반화될 수 있다는 것을 의미한다.

“이 전송 학습방법은 알고리즘이 음용수가 미국 환경보호국(EPA ; Environmental Protection Agency) 내에 있는지 여부를 결정할 수 있게 해주었으며 세계보건기구(WHO)는 처리된 하·폐수에 대해 96% 이상의 정확도와 92%의 정확도로 각종 오염물질에 대한 제한을 권장한다”라고 라간 교수는 말했다.

라간 교수는 특히 “안전한 물에 대한 접근은 사람들과 지구의 건강을 위해 필요하다”라면서 “저비용으로 대량 생산할 수 있는 새로운 기술은 오염 및 기후변화에 직면하여 수자원 보안 솔루션의 핵심 부분으로 물공급에 일련의 오염물질이 유입되는 것을 모니터링하는 데 필요하다”라고 강조했다.

국립과학재단(National Science Foundation)이 자금을 지원한 이 프로젝트에 라간 교수가 와 함께 합류한 연구진은 UCI 재료 과학 및 엔지니어링 대학원생 연구원인 홍웨이(Hong Wei)와 황이신(Yixin Huang),  UCI 토목 및 환경공학 대학원생인 옌히앙(Yen-Hiang) 연구원, UCI 토목 및 환경공학 교수인 써니 장(Sunny Jiang), 그리고 UCI 재료과학 및 공학 교수인 알론 호크바움(Allon Hochbaum) 등이다.

[원문보기]

UC Irvine researchers create E. coli-based water monitoring technology

Bacterium used as a live sensor to detect heavy metal contamination

Irvine, Calif., Feb. 23, 2023 - People often associate Escherichia coli with contaminated food, but E. coli has long been a workhorse in biotechnology. Scientists at the University of California, Irvine have demonstrated that the bacterium has further value as part of a system to detect heavy metal contamination in water.

E. coli exhibit a biochemical response in the presence of metal ions, a slight change that researchers were able to observe with chemically assembled gold nanoparticle optical sensors. 

Through a machine-learning analysis of the optical spectra of metabolites released in response to chromium and arsenic exposure, the scientists were able to detect metals in concentrations a billion times lower than those leading to cell death - while being able to deduce the heavy metal type and amount with higher than 96 percent accuracy.

The process, which the researchers said can be accomplished in about 10 minutes, is the subject of a study appearing in Proceedings of the National Academy of Sciences.

“This new water monitoring method developed by UCI researchers is highly sensitive, fast and versatile,” said co-author Regina Ragan, UCI professor of materials science and engineering. 

“It can be broadly deployed to monitor toxins at their sources in drinking and irrigation water and in agricultural and industrial runoff. This system can provide an early warning of heavy metal contamination to safeguard human health and ecosystems.”

In addition to proving that bacteria like E. coli can detect unsafe water, the researchers spotlighted the other necessary components - gold nanoparticles assembled with molecular precision and machine learning algorithms - which greatly enhanced the sensitivity of their monitoring system. 

Ragan said it can be applied toward spotting metal toxins - including arsenic, cadmium, chromium, copper, lead and mercury - at levels orders of magnitude below regulatory limits to provide early warning of contamination.

In the study, the scientists explained that they can apply trained algorithms to unseen tap water and wastewater samples, which means the system can be generalized to water sources and supplies anywhere in the world.

“This transfer learning method allowed the algorithms to determine if drinking water was within U.S. Environmental Protection Agency and World Health Organization recommend limits for each contaminant with greater than 96-percent accuracy and with 92-percent accuracy for treated wastewater,” Ragan said.

Access to safe water is necessary for the health of people and the planet,” she added. “New technology that can be mass manufactured at low-cost is needed to monitor the introduction of an array of contaminants in the water supply as a critical part of the solution for water security in the face of pollution and climate change.”

Joining Ragan on this project, which was funded by the National Science Foundation, were Hong Wei and Yixin Huang, UCI graduate student researchers in materials science and engineering; Yen-Hsiang Huang, UCI graduate student researcher in civil and environmental engineering; Sunny Jiang, UCI professor of civil and Environmental engineering; and Allon Hochbaum, UCI professor of materials science and engineering.

About UCI’s Brilliant Future campaign: Publicly launched on Oct. 4, 2019, the Brilliant Future campaign aims to raise awareness and support for UCI. By engaging 75,000 alumni and garnering $2 billion in philanthropic investment, UCI seeks to reach new heights of excellence in student success, health and wellness, research and more. The Henry Samueli School of Engineering plays a vital role in the success of the campaign. Learn more by visiting. https://brilliantfuture.uci.edu/the-henry-samueli-school-of-engineering/.

About the University of California, Irvine: Founded in 1965, UCI is a member of the prestigious Association of American Universities and is ranked among the nation’s top 10 public universities by U.S. News & World Report. 

The campus has produced five Nobel laureates and is known for its academic achievement, premier research, innovation and anteater mascot. Led by Chancellor Howard Gillman, UCI has more than 36,000 students and offers 224 degree programs. 

It’s located in one of the world’s safest and most economically vibrant communities and is Orange County’s second-largest employer, contributing $7 billion annually to the local economy and $8 billion statewide. For more on UCI, visit www.uci.edu.

Media access: Radio programs/stations may, for a fee, use an on-campus ISDN line to interview UCI faculty and experts, subject to availability and university approval. For more UCI news, visit news.uci.edu. Additional resources for journalists may be found at communications.uci.edu/for-journalists.

[출처=캘리포니아대학교 어바인 캠퍼스(UCI)(https://news.uci.edu/2023/02/23/uc-irvine-researchers-create-e-coli-based-water-monitoring-technology/) / 2023년 2월 23일]