▲ 재사용 할 수 있는 액체 생검 센서의 구조와 작동 및 재생 과정 / (좌측) 단일 가닥 DNA가 이황화몰리브덴 표면에 붙으면 유전율과 저항이 변하고, 이 변화가 고주파(RF) 신호의 공진 주파수 이동으로 나타난다. 이를 읽어내 특정 DNA 조각을 검출할 수 있다. (우측 상단) 고주파 신호 분석 결과. 단일 가닥 DNA가 흡착되면 공진 주파수가 이동하고, 이후 상보적 DNA 용액으로 세척해 재생 과정을 거치면 신호가 다시 초기 상태로 돌아온다. 이를 통해 센서를 여러 번 반복 사용할 수 있음을 확인했다. (우측 하단) 세척액 속의 상보적 DNA와 결합해 이중 가닥 DNA가 완성되면 이황화몰리브덴 표면과의 결합력이 약해져 DNA가 센서에서 자연스럽게 떨어져 나가고, 센서가 재생된다.(그림 및 설명=UNIST)   © 특허뉴스

국내 연구진이 세척 후 재사용이 가능한 액체 생검 센서를 개발하며, 암 전이 조기 진단의 비용 구조를 근본적으로 낮출 수 있는 기술적 기반을 제시했다. 기존 액체 생검이 갖고 있던 높은 비용과 일회용 센서 한계를 극복한 것으로, 향후 임상 및 개인 건강관리 시장에서의 활용 가능성이 주목된다.

UNIST 전기전자공학과 김명수 교수팀은 KAIST 신우정 교수팀, 연세대학교 강주훈 교수팀과 공동 연구를 통해 이황화몰리브덴(MoS2) 기반의 재사용형 액체 생검 센서를 개발했다. 해당 연구는 센서 분야 국제학술지 Sensors and Actuators B: Chemical에 게재되며 기술적 완성도를 입증했다.

액체 생검은 혈액이나 체액 속에 존재하는 DNA 조각을 분석해 암을 진단하는 비침습적 기술로, 조직을 직접 채취하지 않아 환자 부담이 적다는 장점이 있다. 그러나 기존 기술은 센서가 일회용이거나 제작 비용이 높아 상용화 및 대중화에 한계가 있었다.

이번에 개발된 센서는 이황화몰리브덴 잉크를 기판에 도포하고 회전 공정을 거쳐 제작되는 방식으로, 공정이 단순해 비용 경쟁력을 확보했다. 특히 센서를 특수 용액으로 세척하면 최대 5회까지 재사용이 가능해, 기존 대비 검사 비용 절감 효과가 기대된다.

기술적 핵심은 단일 가닥 DNA(ssDNA)만을 선택적으로 검출하는 데 있다. 일반적으로 DNA는 이중 나선 구조를 이루지만, 단일 가닥 DNA는 암 전이 또는 말기 암 환자에서 높은 농도로 나타나는 바이오마커로 알려져 있다. 연구팀은 고주파(RF) 신호를 활용해 DNA가 센서 표면에 결합할 때 발생하는 유전율과 저항 변화를 측정하고, 이로 인해 변화하는 공진 주파수를 분석하는 방식으로 고감도 검출을 구현했다.

실험 결과, 해당 센서는 암 진단 지표로 활용되는 ‘AluSx1’ DNA를 154.67nM의 낮은 농도에서도 정밀하게 검출하는 성능을 보였다. 이는 기존 기술 대비 민감도 측면에서도 경쟁력을 확보했음을 의미한다.

또한 재사용 메커니즘 역시 분자 수준에서 설계됐다. 세척 용액 내 상보 염기가 센서 표면에 부착된 단일 가닥 DNA와 결합해 이중 나선 구조를 형성하면, 해당 DNA는 자연스럽게 센서에서 분리된다. 별도의 화학적 처리 없이도 센서가 초기 상태로 복원되는 구조다.

이번 연구는 김명수 교수와 신우정 교수가 교신저자로, UNIST 이승찬 연구원과 KAIST 최은호 연구원이 제1저자로 주도했다. 

연구진은 이번 기술이 향후 병원 중심 진단을 넘어 가정용 자가 진단 기기 및 스마트 헬스케어 시스템으로 확장될 가능성이 크다고 밝혔다. 특히 암 전이 여부를 지속적으로 모니터링할 수 있는 저비용 솔루션으로 발전할 경우, 의료 접근성과 조기 진단율을 동시에 개선할 수 있을 것으로 기대된다.

논문명은 Reusable RF sensor based on solution-processed MoS2 for liquid biopsy of single-stranded circulating cell-free DNA이다.