코로나19 현장 진단용 나노PCR 기술
코로나19 현장 진단용 나노PCR 기술
  • 함예솔
  • 승인 2020.12.13 09:25
  • 조회수 3521
  • 댓글 0
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기초과학연구원(IBS) 나노의학 연구단 천진우 단장(연세대 교수), 이재현 연구위원(연세대 고등과학원 교수) 연구팀은 하버드 의과대학 이학호 교수 연구팀과 공동으로 나노물질을 이용해 코로나 바이러스를 17분 내에 정확히 검출하는 현장진단(Point-of-care, POC) 기술을 개발했습니다. 해당 연구는 'Nature Biomedical Engineering'에 게재됐습니다. 

코로나 바이러스. 출처: CDC
코로나 바이러스. 출처: CDC

소량의 유전물질로 정확한 검출 가능해진다

nanoPCR 기술을 이용한 코로나 바이러스 진단 과정. 출처: 연세대학교
nanoPCR 기술을 이용한 코로나 바이러스 진단 과정. 출처: 연세대학교

현재 사용되는 코로나19 표준검사방법은 '역전사 유전자 증폭방법(RT PCR)'입니다. RT PCR은 정확도는 높지만 바이러스 검출에만 수시간 이상이 소요됩니다. 고가의 대형장비를 갖춘 병원, 연구소 등으로 검체를 운송, 진단해야하기 때문에 과정이 복잡하고 비용도 많이 듭니다. 실시간 현장 대응이 어렵다는 문제도 있습니다.

마그네토-플라스모닉 나노입자 (MPN) 개발: PCR 가열과 분리 검출이 동시에 가능. 출처: 연세대학교
마그네토-플라스모닉 나노입자 (MPN) 개발: PCR 가열과 분리 검출이 동시에 가능. 출처: 연세대학교

연구진은 기존 진단법의 한계를 극복하기 위해 플라스모닉물질과 자성물질을 결합한 '마그네토 플라스모닉 나노입자(Magneto Plasmonic Nano particle, MPN)'를 개발했습니다. 이를 PCR에 적용하여 고속 유전자증폭과 검출이 가능한 현장진단형(POC) 코로나19 진단 장비인 'nanoPCR'을 개발했습니다. MPN은 특정 파장의 빛에 감응하여 빛을 열에너지로 바꾸는 '플라스모닉 효과'를 띰과 동시에 샘플 분리를 가능하게 하는 자기력을 가지고 있습니다. 때문에 유전물질의 증폭과 검출을 동시에 해내면서 소량의 유전물질로도 정확한 검출을 할 수 있습니다. 나노기술로 신속성과 정확성, 두 마리 토끼를 잡은 셈입니다. 

nanoPCR의 RT-PCR 작동 사이클 및 이를 구현한 현장중심형 nanoPCR 장치. 출처: 연세대학교
nanoPCR의 RT-PCR 작동 사이클 및 이를 구현한 현장중심형 nanoPCR 장치. 출처: 연세대학교

나아가 한 번에 여러 시료를 탑재할 수 있는 '페리스휠 (Ferris wheel) 시스템'을 적용하여 분석 처리량을 향상시켰다. 개발한 nanoPCR은 작고 가벼워(15x15x18.5cm, 3kg) 현장에서 손쉽게 사용할 수 있다.

  • 역전사 유전자 증폭방법(RT PCR)

RNA 유전자를 DNA로 변경한 후 DNA를 증폭하여 양을 측정하는 검사입니다.

  • 플라스모닉물질 

금속 나노입자 표면에 표면에 특정파장의 빛이 조사되면 흡수 또는 산란되어 금속의 유도전자의 강한 진동을 일으키고 열에너지로 방출하는 현상(플라스모닉 효과)을 보이는 물질입니다.

  • 마그네토 플라스모닉 나노입자(Magneto Plasmonic Nano particle, MPN)

자석과 금속의 복합체로 자기력 및 광학적 특성을 동시에 가지고 있는 나노물질입니다. 

  • 페리스휠 (Ferris wheel) 시스템

관람차(Ferris Wheel)처럼 회전하면서 여러 샘플을 순차적으로 레이저 빛에 가열하는 시스템입니다. 

여러 샘플의 동시 처리를 위한 페리스휠 (Ferris Wheel) 시스템. 출처: 연세대학교
여러 샘플의 동시 처리를 위한 페리스휠 (Ferris Wheel) 시스템. 출처: 연세대학교

연구진은 nanoPCR로 실제 코로나19를 진단하는 환자검체시험을 진행했습니다. 그 결과 환자 1명 샘플분석을 약 17분 만에 마쳤으며, 150명의 감염여부를 정확히 판정했습니다(75명 양성, 75명 음성 샘플). RT PCR 수준의 정확도(99%)를 갖추면서도 진단시간은 획기적으로 단축시킨 겁니다.

환자 시험을 통한 nanoPCR의 코로나19 진단성능 및 표준기술과의 비교. 출처: 연세대학교
환자 시험을 통한 nanoPCR의 코로나19 진단성능 및 표준기술과의 비교. 출처: 연세대학교

천진우 단장은 "PCR 구동 방법을 개량하고 소형화하여 코로나19를 현장에서 손쉽고 신속하게 진단하는 PCR 기술을 개발했다"며 "코로나19 뿐 아니라 향후 다양한 바이러스 전염성 질병진단에 유용한 플랫폼으로 활용될 것으로 기대한다"고 전했습니다. 이번 연구는 실험실 수준의 연구 성과로서, 진단기기 상용화 및 실제 현장 배치를 위해서는 후속 개발연구가 필요합니다. 


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