코로나19와 같은 전염성 바이러스 감염여부를 10분 이내에 검출해낼 수 있는 중합효소연쇄반응(PCR) 키트를 국내 연구진이 개발했다.
한국과학기술원(KAIST) 바이오 및 뇌공학과 정기훈 교수연구팀은 나노종합기술원과 오상헬스케어와 공동으로 진행한 연구를 통해 코로나19 바이러스 검출 95% 정확도를 가진 초고속 초소형 플라즈모닉 핵산분석시스템을 개발했다고 11일 밝혔다.
전염성 높은 바이러스가 빠르게 확산되는 것을 막으려면 정확하고 신속한 진단이 무엇보다 중요하다. 하지만 현재 진행되는 진단검사는 신속하지만 정확성이 낮은 문제가 있다. 이를 보완하려면 실시간 역전사 중합효소연쇄반응(Real-time reverse-transcription Polymerase Chain reaction, RT-qPCR) 검사가 필요하지만, 기술적인 한계로 인해 현장 진단검사로는 매우 부적합했다.
그러나 연구팀이 이번에 개발한 PCR 시스템은 현장에서 코로나19 바이러스를 10분 이내에 검출할 수 있다. 연구팀이 진행한 임상적 성능시험에서 코로나19 환자의 시료를 95% 이상의 높은 정확도로 구분하는 데 성공했다.
연구팀은 이 진단 시스템 개발을 위해 초고속 플라즈모닉 열 순환기와 금속박막 카트리지 그리고 초박형 마이크로렌즈 어레이 형광 현미경 등도 직접 개발했다.
'플라즈모닉 열 순환기'는 나노 및 마이크로공정기술을 통해 유리 나노 기둥 위 금나노섬 구조와 백금박막 저항 온도센서를 결합해 대면적으로 제작됐다. 이 나노구조는 가시광선 전 영역에서 광 흡수율이 매우 높아 백색광 다이오드(LED)의 빛을 빠르게 열로 치환해 온도상승속도를 대폭 향상시켰다. 상단에 있는 박막 저항 온도센서를 통해 실시간으로 표면 온도를 측정함으로써 초고속 열 순환 기능을 구현했다.
연구팀은 사출 성형된 플라스틱 미세 유체 칩과 알루미늄 박막을 결합해 '금속박막 카트리지'도 개발했다. 이를 통해 값비싼 나노소재의 재사용률을 높이고 비용 효율을 극대화했다. 이 금속박막은 두께가 얇고 열전도율이 높아서 열 순환기로부터 발생한 광열을 반응 용액에 효율적으로 전달해 온도상승 및 하강 속도를 개선했다. 또 금속박막은 빛 반사율 또한 매우 높아 플라즈모닉 핵산 증폭 기술의 가장 큰 한계점인 광열 여기광원과 형광 검출 사이의 광학적 누화 현상을 완전히 해결했다.
뿐만 아니라 연구팀은 미세 유체칩 내 실시간 정량화를 위해 마이크로공정기술을 활용해 곤충 눈을 모사한 '마이크로렌즈 어레이 형광 현미경'을 개발했다. 이 기술은 초점거리의 한계를 극복해 10밀리미터(mm)의 초근접 거리에서 미세 유체 채널의 형광 이미지를 촬영할 수 있도록 제작됐고 전체 형광 시스템의 크기를 대폭 축소했다. 또 어레이 이미지의 병합 및 재구성을 통해 높은 동적범위 및 고대비 다중 형광 촬영이 가능하므로 플라즈모닉 핵산 증폭 동안 증가하는 유전자를 실시간으로 정량화할 수 있도록 개발했다.
정기훈 교수는 "플라즈모닉 핵산분석 시스템이 속도, 가격, 크기 측면에서 현장 진단에 매우 적합하여 진단 장비의 탈중앙화를 가능하게 할 뿐만 아니라 다중이용시설이나 지역 병원 등 방역 현장에서 바이러스 검출 목적으로 활용할 수 있을 것으로 기대된다"고 말했다.
코로나19대응 과학기술뉴딜사업과 과학기술정보통신부 나노소재기술개발사업으로 수행된 이번 연구의 결과는 국제학술지 '에이씨에스 나노'(ACS Nano)에 게재됐다.
Copyright @ NEWSTREE All rights reserved.
