델타 변이에 이어 전염성이 매우 강한 오미크론 변이가 등장하는 등 코로나바이러스 변이와 확산세가 꺾이지 않고 있습니다. 이처럼 수많은 변종이 발생하는 코로나바이러스의 경우 확산을 막기 위해서는 변이 바이러스를 빠르고 정확하게 검출할 수 있는 진단 플랫폼 개발이 필수적인데요.
한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 생체재료연구센터 이관희 박사, 김호준 박사팀은 변이에 상관없이 코로나바이러스를 현장에서 30분 내에 PCR 수준의 감도로 검출할 수 있는 바이오센서 플랫폼을 개발했다고 밝혔습니다.
현재 유전자 기반의 PCR 진단은 최소 수 시간이 필요하며, 수검자는 결과가 나올 때까지 격리해야 합니다. 또한 PCR 검사는 특정 유전자 서열이 존재해야만 진단이 가능하기 때문에 다른 유전자 서열을 갖는 변이종의 경우 진단능력이 감소할 수밖에 없었습니다. 최근 널리 활용중인 간이 검사키트의 경우에도 특정 단백질 구조에 반응하는 항체를 키트에 넣어 반응하는 방법으로 바이러스를 확인하기 때문에 변이 바이러스 진단에는 한계를 보이고 있습니다.
이러한 문제를 해결하기 위해 연구팀은 우리 몸에 존재하는 코로나바이러스의 감염 수용체인 ACE2에 주목했습니다. 변이 바이러스일지라도 인체에 침투하기 위해서 ACE2와 결합하기 때문에, ACE2를 적용한 고감도 바이오센서로 바이러스의 범용적 검출이 가능할 것이라 생각했는데요. 이를 위해 ACE2 수용체와 결합된 전기신호 기반의 현장형 반도체 바이오센서 플랫폼을 제작하고, 코로나바이러스의 물리적 특성을 모사한 바이러스를 합성하여 바이오센서 플랫폼을 최적화 했습니다. 이렇게 개발된 바이오센서 플랫폼으로 진단한 결과, 실제 코로나바이러스 및 합성된 다양한 변이 바이러스를 현재 이루어지고 있는 PCR 검사수준 (165 copies/mL, 30분 내)의 감도로 현장에서 실시간으로 검출하는데 성공했습니다.
이관희 박사는 “ACE2 수용체와 고감도 반도체 바이오센서를 결합하는 기술로 현장에서 변이 바이러스를 검출할 수 있는 진단 시스템의 개발을 가능하게 했다. 빠른 시일 내에 센서 표준화와 규격화를 거쳐 상용화할 예정이며, 이는 감염 예방 시스템 및 사회적 안전망 구축에 기여할 것으로 기대한다”고 밝혔습니다.
김호준 박사는 “본 연구를 통해 개발한 합성 바이러스의 경우 감염력이 없기 때문에 BSL레벨이 낮은 곳에서도 취급이 가능하고 다른 바이러스 진단 플랫폼 연구에도 활용이 가능하다는 장점이 있다. 합성 바이러스를 활용한 고감도 정밀 검출 플랫폼 최적화 등에 대한 연구를 지속할 예정이다.”고 말했습니다.
본 성과는 KIST 기본연구사업, 한국연구재단 중견연구자지원사업, 범부처 전주기의료기기연구개발사업단의 지원을 받아 수행되었으며, 연구 결과는 나노분야 권위지인 ‘나노레터스(Nano Letters)’ (IF: 11.189, JCR 분야 상위 9.062%) 최신 호에 게재되었습니다.
논문명 : SARS-CoV-2 Variant Screening Using a Virus-Receptor-Based Electrical Biosensor
#연구결과 개요
1. 연구배경
- 전염력이 강한 코로나19 변이 바이러스의 글로벌 확산으로 인해 사회/경제적 피해가 커지면서 감염병에 대한 선제적 대응을 위한 대책마련이 시급함
- 다양한 변이종의 출현으로 특정 유전자나 단백질 서열에 의존하는 기존 진단법으로 선제적 대응이 어려워짐에 따라 새로운 방식의 진단법 개발이 요구됨
- 본 연구에서는 현장에서 변이에 상관없이 활용할 수 있는 바이러스 검출기술을 개발함으로써 초기 방역과 확산 대응에 활용하여 바이러스 대유행을 방지하고 억제할 수 있는 기술 플랫폼 및 진단법을 개발하고자 함
2. 연구내용
- 코로나19 변이 바이러스를 확진할 수 있는 유전자 기반의 진단방법은 최소 수 시간 정도의 시간이 필요하며, 결과가 나올 때까지 격리를 해야되는 등 번거로움이 발생함. 따라서, 효율적인 방역을 위해서는 현장에서 빠르게 감염자를 선별할 수 있는 현장형 검출 시스템 개발이 필수적임
- 기존에 현장에서 사용할 수 있는 래피드 키트의 경우 항체 기반의 면역진단법을 활용한 것인데, 변이 바이러스가 계속 발생함에 따라 항체에 대한 바이러스 결합 감도가 감소할 수 있다는 연구결과가 나오고 있어 변이 바이러스 진단에 한계를 보이고 있음
- 본 연구를 통해 코로나바이러스의 감염 수용체인 ACE2를 활용하여 변이 바이러스의 범용적 검출을 유도하였음
- 실제 코로나바이러스의 크기, 구조 등 물리적 특성을 모사한 감염력이 없는 합성된 변이 바이러스를 이용하여 빠르고 안전하게 바이오센서 시스템의 선제적 개발이 가능해짐
- 현장형 반도체 기반의 바이오센서 및 ACE2 수용체를 활용하여 실제 코로나바이러스 (Wild-type) 및 감염을 유발하는 스파이크 단백질(Wild-type 및 Delta plus, Kappa 변이)이 결합 된 합성 변이 바이러스를 PCR 수준의 감도로 검출하는데 성공하였음
3. 기대효과
- 코로나바이러스 등 신종바이러스와 그 변이종이 지역 사회에 전파되는 피해를 막기 위해 감염자를 조기에 선별할 수 있는 초고감도 현장형 진단기술 확보
- 바이러스 모니터링 시스템의 구축을 통한 감염 예방 시스템 및 사회적 안전망 구축
- 보급형 이동식 센서를 개발하여 바이러스의 신속한 현장진단 및 방역체계 구축에 기여
