포르메이트를 형성하기 위한 일산화탄소(CO)의 생물학적 전환은 버블(기포) 합체로 인해 기-액 간 물질전달 한계가 발생함에 따라 저해된다. 이는 기체 교환을 위한 계면적을 감소시킨다. 본 연구에서는 공기리프트(bioreactor)에 천공(b) 배플(perforated baffle)을 적용하고, 그 위에 혐기성(air-ophobic) 코팅을 도입하는 새로운 접근을 제시한다. 혐기성 코팅은 버블 합체를 억제하여 물질전달 효율을 향상시키고 CO의 포르메이트 전환 속도를 증가시킨다. 먼저, 효소 반응에서 CO 기체의 물질전달 속도가 최적 조건에서 최대 생산성을 결정한다는 것을 확인하였다. 이어서 천공 배플에 대한 혐기성 코팅 조건을 최적화하여 효과적인 기포 파쇄를 달성하였다. 최적화된 코팅 조건의 혐기성 코팅 천공 배플을 반응기에 설치함으로써 효율적인 기포 파쇄를 유도하고, 기포 크기를 감소시키며, 기-액 물질전달 계수를 증가시켰다. 그 결과 CO-포르메이트 전환에서 최대 부피 생산성 60.4 mM/h를 달성하였으며, 이는 코팅 배플이 없는 바이오리액터 대비 72% 증가한 값이다. 이러한 유의미한 개선은 기-액 물질전달을 향상시키는 데서 혐기성 코팅의 효과를 보여주며, 생물학적 기체 전환 산업에서 효율과 확장성을 높이기 위한 새로운 전략을 제공한다.

• 세포배양 배지로부터 엑소좀 miRNA 분석을 위해 새로운 H-TAS(hourglass-inspired total analysis system)가 개발되었다. • H-TAS는 간단한 뒤집기 동작 하나로 원팟(one-pot)에서 필요한 모든 공정을 수행하였다. • 나노프로브/CRIPSR-Cas12a/isothermal amplification의 조합을 통해 H-TAS를 구현하였다. • H-TAS는 190분 내에 Exo-miR-21을 우수한 감도로 분석하였으며(검출한계, LOD = 1.308 fM), • H-TAS는 복잡한 생물학적 시료로부터 엑소좀 miR-21도 성공적으로 분석하였다. 규칙적으로 군집된 짧은 회문 반복서열-CRISPR(CRISPR) 계열의 CRISPR-Cas 시스템은(클러스터드 정규 간격 짧은 회문 반복-카스; clustered regularly interspaced short palindromic repeat-Cas) 등온 핵산 증폭(isothermal nucleic acid amplification)과 결합될 때, 서열 특이적 정보를 전달(transducing)하는 강력한 센싱 메커니즘을 제공한다. 그러나 CRISPR-Cas 시스템을 이용한 엑소좀 miRNA(Exo-miRs) 분석은 여전히 어렵고, 외부에서 엑소좀 분리/농축 또는 복잡한 신호 증폭 및 검출과 같은 복잡한 단계가 종종 필요하다. 본 연구에서는 CRISPR-Cas12a 시스템과 등온 핵산 증폭을 이용하여 원팟(one-pot) 조건에서 Exo-miR을 쉽고 민감하게 색도계(colorimetric)로 검출하기 위한 hourglass-inspired total analysis system(H-TAS)를 제안한다. 이 장치에서는 전체 시스템이 두 가지 혁신적 시스템의 연속적 구성에 의해 작동한다: (i) 촉매/항체가 풍부하게 결합된 금-위성-자기 나노입자(promoter/antibody-enriched gold-satellite-magnetic nanoparticles)를 이용한 엑소좀 분리/농축 및 원팟 등온 Exo-miR 증폭, 그리고 (ii) 다중 효소가 캡슐화된 나노입자(multi-enzyme-encapsulated nanoparticles)와 CRISPR-Cas12a 시스템을 활용한 향상된 색도계 신호 분석이다. 또한 두 시스템의 연속적 결합을 용이하게 하고 사용성을 높이기 위해, 반응 바이알을 바꾸지 않고도 Exo-miRs를 검출하기 위해 모든 분석 단계를 수행할 수 있는 hourglass-inspired 장치를 개발하였다. 그 결과, 개발된 H-TAS는 단 한 번의 단순한 뒤집기 동작만으로 Exo-miR 검출에 필요한 모든 공정을 손쉽게 진행할 수 있다. 개념 증명(proof-of-concept)으로서 우리는 H-TAS를 miR-21 및 Exo-miR-21 분석에 적용하고, 190분(시료-투-답(sample-to-answer) 시간) 내에 적절한 특이성 및 감도를 확인하였다(각각 검출한계 = 0.711 fM, 1.308 fM). 또한 특수 장비가 필요하지 않았다. 더 나아가, 제안된 장치의 적용 가능성은 다양한 유방 세포 유래 엑소좀과 임상 시료로부터 Exo-miR-21을 분석함으로써 검증되었다. 따라서 H-TAS는 매우 높은 민감도, 선택성, 간편함 및 시간 효율성을 갖춘 방식으로 Exo-miRs를 검출하기 위한 유망한 플랫폼이 될 수 있다.