땀을 통해 혈당 측정 대신할 수 있을까?

혈액 대신 땀을 이용해 혈당 수치를 체크할 수 있다면 어떨까? 측정할 때마다 손끝을 바늘로 찔러야 할 필요도 없고, 연속 혈당 측정기를 착용하고 관리하는 번거로움을 감수할 필요도 없을 것이다. 새롭게 연구되고 있는 ‘종이 기반 바이오센서 시스템’이 상용화된다면 충분히 가능한 이야기다.

효소 반응에 기반한 기존 측정법

기존의 혈당 체크 시스템은 혈액 방울을 채취해 그 안의 포도당 수치를 측정하는 방법이다. 당뇨 환자 또는 혈당 관리가 필요한 환자들이 사용하는 혈당 측정기는 손가락 등에서 혈액을 채취해 포도당 수치를 측정하는 방식이다. 

측정이 필요할 때마다 매번 바늘로 찔러야 한다는 점도 누군가에게는 부담일 수 있다. 체했을 때 손끝을 따는 것에도 긴장하는 사람들이 많기 때문이다. 하지만 근본적인 문제는 따로 있다. ‘채취한 혈액으로부터 혈당 수치를 확인하는 방법’에 그 한계점이 나타난다.

기존의 혈당 측정법은 ‘효소 반응’을 활용하는 방법이다. 채취된 혈액에 포도당 산화효소를 적용하면 과산화수소가 생성된다. 만들어진 과산화수소는 전기화학적 반응을 일으키는데, 이때 포도당 농도가 진할수록 강한 전류가 발생한다. 즉, 기존의 혈당 측정 장치는 효소와 포도당이 반응하면서 만들어지는 과산화수소의 양을 통해 혈당 수치를 간접 측정한다.

이는 정확도가 높으며 빠르게 혈당을 측정할 수 있다는 점에서 지금까지 널리 사용되고 있다. 하지만 사용되는 효소가 매우 민감하다는 점에서 우려가 발생한다. 포도당 측정을 위한 효소는 온도와 산성도(수소 이온 농도, pH)에 매우 민감하다. 

구체적인 종류에 따라 달라질 수 있지만, 효소는 보통 30℃~40℃ 사이에서 가장 높은 활성도를 보인다. 그보다 높은 온도에서는 효소의 단백질이 변질되므로 제 기능을 잃게 된다. 반대로 너무 낮은 온도가 되면 효소의 반응 속도가 감소해 정확한 결과를 얻는 데 한계가 생긴다. pH 또한 마찬가지다. 일반적으로 pH 5.5~7.0 사이의 ‘약산성’에서 최적의 활성을 보인다.

이 때문에 측정 과정은 물론 효소의 저장 및 운송 과정에서의 환경 유지가 중요하다. 한 번 변질된 효소는 제대로 된 역할을 할 수 없으므로 측정 결과에 지대한 영향을 미칠 수 있다. 적절한 환경을 갖추고 관리한다고 해도 일정 기간 이상 보관에는 한계가 있기 때문에 실용성 면에서도 제약이 있다.

피 대신 땀을 활용한 당 수치 측정

미국 빙엄턴 대학의 바이오일렉트로닉스 및 마이크로시스템 분야 최석현 교수 연구실에서는 지난 15년여에 걸쳐 얻은 지식들을 토대로 ‘종이 기반 바이오센서 시스템’을 연구해왔다. 종이 재질을 활용한 센서를 만들어 생물학적 신호를 감지할 수 있도록 하는 시스템이다.

종이 기반 바이오센서 시스템은 ‘바실루스 서브틸리스(Bacillus Subtilis)’라는 박테리아의 포자를 사용한다. 이 박테리아의 포자는 포도당에 반응하여 발아하는데, 이때 전기적 신호를 발생시킨다. 따라서 어느 정도의 전력이 만들어지는지에 따라 해당 샘플의 포도당 수치가 어느 정도인지 확인할 수 있는 원리다.

바실루스 서브틸리스 박테리아는 전해질이 풍부한 환경에서 더욱 활성화된다. 땀의 경우 칼륨을 비롯한 전해질이 다량 포함돼 있기 때문에 박테리아 활성화에 최적의 조건을 제공한다. 이는 혈액을 채취하기 위한 침습적 방법 없이 혈당 수치를 지속적으로 측정할 수 있다는 것을 보여준다.

땀은 체온 조절 및 노폐물 배출을 위한 체액이다. 따라서 전해질은 물론 포도당도 포함돼 있다. 땀의 포도당 농도는 혈액에 비하면 낮지만, 일반적으로 혈당 수치와 비례한다. 즉, 혈당이 높으면 땀의 포도당 농도 역시 상대적으로 높게 나타난다는 의미다. 땀을 활용해 혈당 측정을 대신할 수 있는 기본 원리다.

필요할 때만 활성화 가능

박테리아의 포자는 효소와 달리 보다 극단적인 환경에서도 변질되거나 활성도를 잃지 않는 경우가 많다. 박테리아 종류에 따라 높거나 낮은 온도, 극단적인 pH, 매우 건조한 환경 등에서도 생존이 가능하도록 진화한 것들이 있기 때문이다. 이는 최적의 온도와 pH를 유지해야 하는 효소에 비하면 훨씬 높은 안정성을 보장한다.

또한, 비용 측면에서도 유리하다. 실온에서도 보관할 수 있기 때문에 특정 조건이 갖춰진 냉장 보관 등 관리가 필요하지 않다. 유통 및 저장 등의 과정에서 그리 큰 비용을 필요로 하지 않는다. 게다가 박테리아 포자는 평소 ‘활성화되지 않은 상태’로 있다가 필요할 때만 조건을 맞춰주면 활성화시켜 사용할 수 있다. 특정 조건이 갖춰진다면 사용 후에도 다시 휴면 상태로 돌아가 재사용할 수 있다.

경제적인 면에서도 유리하다. 특히 종이 기반 바이오센서 시스템 자체가 저렴한 재료인 종이를 기반으로 하기 때문에 기존의 기술에 비해 경제성이 뛰어나다는 장점도 있다. 박테리아 포자 역시 충분한 기술과 생산 공정이 갖춰진다면 대량 생산이 가능해지므로 비용 절감에 기여할 수 있다.

한편, 박테리아 포자를 활용하는 이 방법은 체내 포도당 수치를 측정하는 것 외에도 다양한 반응에 사용될 수 있다. 다른 생화학 지표 측정, 질환 진단 등의 의료적 목적은 물론, 식품 안전 검사, 특정 장소의 환경 모니터링 등 여러 분야에서 활용 가능성을 지닌다.