▲ 전극 분극을 감소시킨 고감도 나노갭 임피던스 센서 기반 표적 DNA 증폭 모니터링에 의한 병원체 검출 기술 개요 / 나노갭 임피던스 센서를 증폭반응 용액에 넣고 표적 DNA를 증폭시키면서 매 분 마다 전기적 신호(임피던스) 변화를 측정한다. 표적 DNA가 있는 경우 유전자 증폭에 따른 미세한 전기적 신호변화가 나타나는데, 나노갭 센서의 경우 생물학적 시료에 존재하는 많은 이온들에 의한 전기분극 현상을 감소시켜 신호 변화를 정밀하게 포착 가능하다는 것이 핵심이다. 본 연구팀은 100nm 나노갭 전극을 제작하여 전극분극을 효과적으로 감소시켜 전극 사이 시료 내에서의 신호 손실을 감소시킴으로써 표적 DNA 단일 사본의 핵산증폭을 5분 만에 판독, 신속하게 병원체를 검출할 수 있었다. 출처 : 재단법인 바이오나노헬스가드연구단 이현정 책임연구원  © 특허뉴스

인플루엔자, 메르스, 결핵 등을 일으킬 수 있는 공기 매개 병원체든 시가 독소 생성 대장균 같은 식인성 병원균이든 감염에 대항하기 위해서는 신속한 병원체 검출이 우선이다.

외부 침입 병원체의 존재를 알아내기 위해 시료에 포함된 핵산(유전자가 담겨있는 생체고분자) 증폭방법이 널리 사용되는 데, 장비 소형화와 다중검출에 한계가 있었다.

그 가운데 유전자 증폭과정을 실시간으로 모니터링 하고 증폭된 유전자에 의한 미세한 전기적 신호변화를 포착, 5분 만에 시료 내 병원성 대장균 단일사본(1 copy)의 증폭을 검출하는 기술이 소개됐다.

한국연구재단은 재단법인 바이오나노헬스가드연구단 연구팀이 병원체의 핵산증폭반응 실시간 모니터링에 기반한 고감도 병원체 검출기술을 개발했다고 9일 밝혔다.

병원체 진단용으로 상용화된 유전자증폭장비의 경우 형광검출장비 소형화의 한계로 현장진단에 어려움이 있고, 형광 표지물질들의 파장중첩에 의해 하나의 시료에서 여러 성분을 동시에 검출하는 데 한계가 있었다.

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

하지만 증폭 반응용액 내 전하를 띠는 다양한 물질들로 인한 전기분극을 최소화하여 센서의 감도를 높여 증폭된 외부 유전자에 의한 신호변화를 제대로 포착해야 하는 것이 과제였다.

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

실제 만들어진 나노갭 임피던스 센서를 기반으로 등온 유전자증폭으로 병원성 대장균 O157:H7의 표적 DNA 단일 사본의 증폭을 5분 만에 검출해냈다. 나아가 이 대장균의 단일 세포가 존재하는 시료까지 검출해냈다.

기존 상용화된 유전자증폭시약을 그대로 활용하면서 복잡한 온도조절이나 형광포착을 위한 장비 없이 등온(섭씨 39도)에서 신호변화를 읽어낼 수 있음을 보여줌으로써, 병원체의 현장검출을 용이하게 하기 위한 장비 개발의 실마리가 될 것으로 기대된다.

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

이번 연구 성과는 국제학술지 ‘바이오센서스 앤드 바이오일렉트로닉스(Biosensors and Bioelectronics)’를 통해 1월 29일 소개되었다.