[지금은 과학] 감염병 병원체, 5분 만에 실시간 검출한다

[아이뉴스24 정종오 기자] 장비 크기도 줄이고 빠르게, 또한 동시에 감염병 병원체를 검출하는 기술이 나올 것으로 기대된다. 장비 소형화는 물론 다중검출이 가능하다는 점이 가장 큰 장점이다.

인플루엔자, 중동호흡기증후군(메르스), 결핵 등을 일으킬 수 있는 공기 매개 병원체든, 시가독소 생성 대장균 같은 식인성 병원균이든 감염에 대항하기 위해서는 신속한 병원체 검출이 첫걸음이다.

코로나19도 신속한 진단검사를 통해 다른 사람에 감염되는 것을 막을 수 있다.

외부 침입 병원체 존재를 알아내기 위해 시료에 포함된 핵산(유전자가 담겨있는 생체고분자) 증폭 방법이 널리 사용된다. 장비 소형화와 다중검출에 한계가 있었다.

유전자 증폭 과정을 실시간으로 모니터링하고 증폭된 유전자에 의한 미세한 전기적신호변화를 포착해 5분 만에 시료 내 병원성 대장균 단일사본(1 copy)의 증폭을 검출하는 기술이 나왔다.

한국연구재단(이사장 노정혜)은 재단법인 바이오나노헬스가드연구단(단장 신용범) 연구팀이 병원체의 핵산증폭반응 실시간 모니터링에 기반을 둔 고감도 병원체 검출기술을 개발했다고 9일 발표했다.

병원체 진단용으로 상용화된 유전자 증폭 장비의 경우 형광검출 장비 소형화 한계로 현장진단에 어려움이 있었다. 형광 표지물질들의 파장 중첩으로 하나의 시료에서 여러 성분을 동시에 검출하는 데도 한계가 있었다.

별도의 표지 없이 전하를 띠는 핵산이 증폭되면서 나타나는 전기적 신호 변화를 포착하는 임피던스 센서를 이용하려는 시도가 이어지고 있었다.

증폭 반응용액 내 전하를 띠는 다양한 물질들로 전기분극을 최소화해 센서의 감도를 높여 증폭된 외부 유전자에 의한 신호 변화를 제대로 포착해야 하는 것이 과제였다.

연구팀은 나노갭 센서를 사용해 전기적 임피던스 센서의 감도를 크게 개선했다. 나노갭 센서는 전극 분극을 감소시켜 전압강하(electric potential drop)에 의한 신호손실을 효과적으로 줄인다. 시료 내의 미세한 전기적 신호 변화를 측정하는 감도를 50% 정도 높일 수 있다.

실제 만들어진 나노갭 임피던스 센서를 기반으로 등온 유전자 증폭으로 병원성 대장균 ‘O157:H7’의 표적 DNA 단일사본의 증폭을 5분 만에 검출해냈다. 이 대장균의 단일 세포가 존재하는 시료까지 검출해 냈다.

기존 상용화된 유전자 증폭 시약을 그대로 활용하면서 복잡한 온도조절이나 형광포착을 위한 장비 없이 등온(섭씨 39도)에서 신호 변화를 읽어낼 수 있다. 병원체의 현장검출을 쉽게 하기 위한 장비 개발의 실마리가 될 것으로 기대된다.

연구팀은 실용화를 위해 감도 안정화를 위한 최적 측정조건을 도출하고 현장진단을 위한 소형화 모듈 등에 관한 후속연구를 진행할 계획이다.

연구성과는 국제학술지‘바이오센서스 앤드 바이오일렉트로닉스(Biosensors and Bioelectronics)’1월 29일 자(논문명: Rapid and highly sensitive pathogen detection by real-time DNA monitoring using a nanogap impedimetric sensor with recombinase polymerase amplification)에 실렸다.

이현정 바이오나노헬스가드연구단 책임연구원은 “전 세계가 코로나19 팬데믹 사태를 겪으면서 우리 주변의 감염성 병원체를 신속하게 실시간으로 검출하는 시스템이 필요하다는 목소리가 높다”며 “이번 연구가 현장 진단에서 더 간편하고 신속하게 병원체를 탐지할 새로운 기회를 제공할 것으로 기대한다”고 말했다.