코로나 바이러스 감염증-19(COVID-19, 이하 코로나19)를 검사현장에서 17분 내에 손쉽고 정확히 진단하는 ‘나노 PCR’기술이 개발됐다. 이제 마음 졸이며 검사 결과를 기다리지 않아도 된다.

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코로나 진단을 위한 초고속 나노유전자증폭기술

기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 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 개발했다. 검사현장에서 감염여부를 빠르고 정확하게 알 수 있어 코로나19 진단 및 방역에 기여할 것으로 기대된다.

▲ 지난 12월 3일 개최된 연구성과 브리핑에서 정지용 연구원(좌, 제1저자), 천진우 IBS 나노의학 연구단장(우, 공동교신저자)가 nanoPCR을 시연하고 있다.

현재 사용되는 코로나19 표준검사방법은 ‘역전사 유전자 증폭방법(RT PCR)¹⁾’이다. RT PCR은 정확도는 높지만 바이러스 검출에만 수 시간 이상이 소요된다. 고가의 대형장비를 갖춘 병원, 연구소 등으로 검체를 운송, 진단해야하기 때문에 과정이 복잡하고 비용도 많이 든다. 실시간 현장 대응이 어렵다는 문제도 있다.

연구진은 기존 진단법의 한계를 극복하기 위해 플라스모닉물질²⁾과 자성물질을 결합한 ‘마그네토 플라스모닉 나노입자(Magneto Plasmonic Nano particle, 이하 MPN)³⁾’를 개발했다. 이를 PCR에 적용하여 초고속 유전자증폭과 검출이 가능한 현장진단형(POC) 코로나19 진단 장비인 ‘nanoPCR’을 개발했다.

MPN은 특정 파장의 빛에 감응하여 빛 에너지를 열에너지로 바꾸는 ‘플라스모닉 효과’를 갖는다. 이를 이용하면 PCR의 온도변화 사이클을 초고속으로 반복하여 기존에 2시간가량 소요되는 유전자 증폭과정을 6분 이내로 단축할 수 있다.

▲ 그RT-PCR과 nanoPCR의 온도 변화 사이클 속도 비교RT-PCR은 유전자 증폭을 위해 필요한 약 60 – 90°C 온도 변화 사이클 40회를 약 1.5 - 2시간에 걸쳐 수행한다. 이를 nanoPCR은 6분 이내로 단축하였다. MPN이 혼합된 용액은 플라스모닉 효과에 의해 균일계 가열 방식이 적용되어 외벽을 직접 가열하는 종래의 PCR과 비교하여 더 빠른 속도로 균일하게 온도를 조절할 수 있기 때문이다.

또한 MPN이 지닌 강한 자기력이 외부자기장을 만들어내 증폭된 유전자에서 나노물질을 자동으로 분리해낸다. 유전물질의 증폭과 검출을 동시에 해내면서 소량의 유전물질로도 정확한 검출을 할 수 있는 것이다. 나노기술로 신속성과 정확성, 두 마리 토끼를 잡은 셈이다.

▲ nanoPCR의 자성분리 및 증폭 유전자 형광 진단자성을 띠는 MPN들은 자기장을 이용해 선택적으로 분리된다. 이 자성분리 과정을 거쳐 nanoPCR로 증폭된 유전자들이 형광으로 검출된다.

▲ nanoPCR 기술을 이용한 코로나 바이러스 진단 과정환자의 시료에서 코로나바이러스의 RNA를 추출하여 nanoPCR로 역전사 및 유전자증폭, 검출함으로써 코로나19 감염 여부를 진단한다. 마그네토-플라스모닉 나노입자(MPN)을 이용하면 RT-PCR의 온도를 올렸다 내리는 사이클을 초고속으로 반복해 유전물질을 빠르게 증폭시킬 수 있다. 동시에 자기장에 의해 MPN이 스스로 분리되어 증폭된 유전물질의 형광신호가 검출된다. 즉 유전물질의 증폭과 검출을 동시에 해내는 것이다.

나아가 한 번에 여러 시료를 탑재할 수 있는 ‘페리스휠 (Ferris wheel) 시스템’⁴⁾을 적용하여 분석 처리량을 향상시켰다. 개발한 nanoPCR은 작고 가벼워(15x15x18.5cm, 3kg) 현장에서 손쉽게 사용할 수 있다.

▲ 페리스휠 (Ferris Wheel) 시스템페리스휠 시스템이란 대관람차처럼 빙글빙글 돌면서 여러 샘플을 순차적으로(샘플#1, #2, #3 순)레이저 빛에 가열하는 시스템이다. 한 번에 여러 샘플을 PCR 처리할 수 있다.

▲ RT-PCR(역전사 유전자증폭기기)와 연구진이 개발한 nanoPCR 크기 비교nanoPCR(15x15x18.5cm)은 한 손에 쏙 들어오는 아담한 크기다. 참고로 2020년도 기준 전 세계 스마트폰 평균크기는 13.97cm다. 무게도 3kg정도에 불과해 검사현장에서 손쉽게 사용할 수 있다. 이렇게 작고 가벼울 뿐더러 정확하고 신속한 코로나19 진단이 가능하다니. 역시 작은 고추가 맵다.

연구진은 nanoPCR로 실제 코로나19를 진단하는 임상실험을 진행했다. 그 결과 환자 1명당 검체 체취부터 진단까지 모든 과정을 약 17분 만에 마쳤으며, 의심환자 150명의 감염여부를 정확히 판정하였다(75명 양성, 75명 음성 샘플). RT PCR와 동일한 수준의 정확도(99%)를 갖추면서도 진단시간은 획기적으로 단축시킨 것이다.

▲ 왼쪽부터 이재현 나노의학 연구단 연구위원(공동교신저자), 정지용 연구원(제1저자), 천진우 IBS 나노의학 연구단장(공동교신저자)

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 전했다.

이번 연구 외에도 기초과학연구원은 코로나19와의 전쟁을 벌이고 있다. 지난 4월 RNA 연구단이 세계최초로 코로나19 바이러스 유전자 지도를 완성해 세계적 학술지 셀(Cell)에 게재했으며, 인지 및 사회성 연구단에서는 코로나19 진단용 프라이머를 제작했다. 데이터 사이언스 그룹에서는 코로나19 관련 가짜뉴스 확산을 방지하고자 전 세계 과학자들과 ‘루머를 앞선 팩트(Facts before Rumors)’캠페인을 진행하고 있다. IBS 연구자를 중심으로 의사, 사회과학자 등이 팀을 이뤄 코로나19를 과학적으로 분석하는 19편의 [코로나 19 과학 리포트]를 집필, 단행본[코로나 사이언스]를 발간하기도 했다.

코로나19와의 전쟁은 여전히 쉽지 않다. 전문가들은 최악의 경우 바이러스 유전자 변이가 일어나 개발 중인 백신과 치료제 효과가 사라지면 완전 종식까지 몇십 년이 걸릴 수 있다고 예상하기도 한다. 향후 이보다 무서운 또 다른 바이러스가 인류를 위협할 확률도 작지 않다. IBS는 ‘한국바이러스기초연구소’ 출범을 앞두고 있다. 바이러스 관련 기초과학 지식, 연구역량, 연구진을 갖춰 미래에 나타날 수 있는 미지의 적으로부터 국가를 지키려 한다.

이번 연구결과는 국제학술지‘네이처 바이오메디컬 엔지니어링 (Nature Biomedical Engineering, IF 17.149)’에 12월 3일 19시(한국시간) 게재됐다.

IBS 커뮤니케이션팀
박유진