매년 조류인플루엔자(AI)로 인해 전국이 출렁입니다. 2017년 11월에는 순천만 일대가 전면 폐쇄되기도 하고, 농촌진흥청에서는 2017년 설무렵에 고향의 가금 사육 농가와 철새도래지 방문을 자제를 당부 하기도 했습니다. 올해도 예외는 아니었는데요.

 

AI와 같은 전염병 피해를 막기 위해서는 초기 발견이 매우 중요합니다. 따라서 이를 위한 다양한 기술이 필요합니다.

 

국내 연구진이 새로운 기술을 개발했는데요. 닭의 분변 같은 '현장시료'에서 안정적으로 AI바이러스를 검출할 수 있는 키트를 개발했습니다. 이번 연구는 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 분자인식연구센터 이준석 박사팀, 건국대학교 수의학과 송창선 교수팀의 공동 연구로 이뤄졌습니다. 연구결과는 <Biosensors and Bioelectronics>에 게재됐어요.

 

이번 연구에는 '상향변환 나노입자'가 쓰였습니다.

 

상향변환 나노입자가 뭔데?

 

위 그림처럼 껍질이 씌워진 공처럼 생긴 나노물질이 상향변환 나노입자입니다. 상향변환 나노입자란, 더 낮은 에너지의 빛을 흡수해서 더 높은 에너지의 빛을 내는 물질을 말합니다. 광자를 연속적으로 흡수한 뒤 한 번에 방출하는 건데요.

더 낮은 에너지의 '광자'가 연속적으로 흡수된 뒤 한 번에 방출되면서 파장이 짧아집니다. 이 물질은 980nm의 빛을 흡수하고 800nm의 빛을 방출하는 물질입니다. 이 물질이 있는 용액에 980nm의 레이저를 쏘고, 기기를 통해 보면 이렇게 보이지요.

980nm는 검출하지 않고, 800nm 만 보이도록 한 장치입니다. 이번 반응에 사용된 물질은 구형의 '껍질' 구조인데요. 나노물질의 경우 이렇게 다른 물질과 인접한 구조를 만들어 성능을 향상시킬 수 있죠.

 

무기 상향변환 나노입자의 경우 격자를 이루는 물질에 상향변환을 하는 이온들이 '도핑'되어 있습니다. 이번 경우 β-NaYF4라는 격자구조 위에 Yb, Tm의 이온들이 도핑되어 있는 상태입니다.

 

연구진은 이 상향변환 물질 위에 '칼슘'이 도핑된 NaYF4를 씌워 효율을 높였다고 합니다.

 

전체 매커니즘?

 

상향변환 나노입자의 표면에는 '항체'가 붙어있습니다. 항체는 체내 면역반응에 쓰이는 물질인데요. 이 항체는 특정한 '항원'을 만나면 결합하는 성질을 가지고 있죠.

 

위 그림은 전체 모식도입니다. 읽는 방법을 먼저 알고 싶은 분들 위해 말씀드립니다. 읽는 법은 임신테스터와 비슷한데요. 비임신을 뜻하는 '한 줄'이 바로 C라인에서만 반응했다는 뜻이고, 임신을 뜻하는 '두 줄'이 T라인과 C라인 모두 반응했다는 뜻입니다.

 

각 단계에 일어나는 일을 차근차근 알려드릴게요.

 

T라인에서 일어나는 일

 

T라인은 테스트 라인입니다. T라인에서는 AI 바이러스과 관련된 물질을 항원으로 인식하는 항체가 준비돼 있습니다.

 

그 뒤 '상향변환 물질'이 붙어있는 항체를 가합니다. 만약 항원이 결합되어 있다면 새로 넣어준 항체는 항원에 결합할 것입니다. 상향변환 물질도 그 위치에 남겠죠? 따라서 AI 바이러스가 존재했다면 최종적으로 T라인에 상향변환 물질이 고정돼 있게 됩니다. 

 

C라인의 존재 이유

 

그렇다면 아래의 C라인은 왜 존재하는 걸까요? 바로 '시료가 끝까지 도달했는가'를 확인하기 위해서입니다. 만약 충분히 시료가 확산되지 않은 채로 반응을 끝내는 경우, 바이러스가 있는데도 없다고 나올 수 있겠죠.

 

따라서 T라인 너머에 C라인이 필요합니다. C라인에는 '초록색' 항체와 붙을 수 있는 '파란색' 항체를 발라둡니다. 따라서 항원의 유무와 관계없이 시료가 끝까지 확산된 경우라면 C라인에 '상향변환 물질'이 존재하게 됩니다.

 

휴대전화와 연결된 기기는 왜 필요한가?

 

임신테스터의 경우 항원-항체 반응이 끝나면 눈에 보이는 선이 나타납니다. 반면 이번 시험결과는 '근적외선 영역'의 빛을 방출하기 때문입니다. 따라서 상향변환이 일어나는지 알아보기 위해서는 또 다른 장치가 필요합니다. 위 사진에서 보이다시피 눈으로는 항원-항체 반응이 일어났는지 보이지 않네요.

 

기기에 샘플을 넣으면 기기 안에서 근적외선 영역인 980nm의 빛이 나옵니다. 상향변환물질이 있다면 이 빛은 '상향변환'되어 800nm로, 더 짧고 눈에 보이는 붉은계열 빛으로 나오게 됩니다.

 

따라서 2개의 줄이 빛나는 경우 닭이 AI에 감염된 것이고, 하나의 줄만 빛나는 경우 AI에 감염되지 않은 것이라고 볼 수 있습니다.

 

이 샘플은 '두 줄', 즉 T라인과 C라인에 모두 상향변환 나노입자가 남아 있네요. 즉, AI 바이러스가 있다는 뜻입니다.

 

뭐가 더 나아졌나요?

 

기존에 사용되던 현장진단 키트는 '금 나노입자' 기반입니다. 이번 경우처럼 사용이 편리하지만 육안으로 신호를 확인하기 때문에 감도가 낮고, 불투명한 검체 내에서 구별이 어려웠다고 합니다.

 

또 다른 키트는 가시광선 파장의 '형광'을 검출 신호로 썼는데요. 이 경우 쉽게 분해되는 '유기염료'였기 때문에 농가나 계류장 같은 야외에서 바로 쓰기는 힘들었다고 합니다.