"17분 만에 코로나19 진단하는 나노PCR 기술 개발" IBS 연구팀 논문, SCI급 국제학술지 등재
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"17분 만에 코로나19 진단하는 나노PCR 기술 개발" IBS 연구팀 논문, SCI급 국제학술지 등재
  • 정 현 기자
  • 승인 2020.12.05 19:07
  • 댓글 0
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국제학술지 ‘Nature Biomedical Engineering’ 12월 3일자 게재  

[위즈뉴스] 기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 3일, 나노의학 연구단 천진우 단장(연세대 교수)과 이재현 연구위원(연세대 고등과학원 교수), 하버드 의과대학 이학호 교수로 구성된 공동연구팀이 나노물질을 이용해 코로나 바이러스를 17분 내에 정확히 검출하는 현장진단(Point-of-care, POC) 기술을 개발했다고 밝혔다.

왼쪽부터 IBS 천진우 단장, IBS 이재현 연구위원, 하버드의대 이학호 교수 / 사진=IBS
왼쪽부터 IBS 천진우 단장, IBS 이재현 연구위원, 하버드의대 이학호 교수 / 사진=IBS

이번 연구결과를 담은 논문은 SCI급 저명 국제학술지 ‘네이처 바이오메디컬 엔지니어링(Nature Biomedical Engineering, IF 17.149)’ 12월 3일 자에 게재됐다.

논문명은 'Fast detection of SARS-CoV-2 RNA via the integration of plasmonic thermocycling and fluorescence detection in a portable device'이며, 천진우 교수와 이재현 교수, 이학호 교수가 각각 공동 교신저자로 참여했다. 

공동연구팀의 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 말했다.

다먼, 이번 연구는 실험실 수준의 연구 성과로 진단기기 상용화 및 실제 현장 배치를 위해서는 후속 개발연구가 필요한 것으로 전해졌다.

국제학술지 'Nature Biomedical Engineering'에 실린 해당 논문
국제학술지 'Nature Biomedical Engineering'에 실린 해당 논문

현재 사용되는 코로나19 표준검사방법은 ‘역전사 유전자 증폭방법(RT PCR)'으로, 이 방법은 정확도는 높지만 바이러스 검출에만 수시간 이상이 소요된다. 뿐만아니라. 고가의 대형장비를 갖춘 병원, 연구소 등으로 검체를 운송, 진단해야하기 때문에 과정이 복잡하고 비용도 많이 들고, 실시간 현장 대응이 어렵다는 문제도 있다.

연구팀은 기존 진단법의 한계를 극복하기 위해 플라스모닉물질과 자성물질을 결합한 ‘마그네토 플라스모닉 나노입자(Magneto Plasmonic Nano particle, 이하 MPN)’를 개발했다.

nanoPCR 기술을 이용한 코로나 바이러스 진단 과정 / 사진=IBS
nanoPCR 기술을 이용한 코로나 바이러스 진단 과정 / 사진=IBS

플라스모닉물질은 금속 나노입자 표면에 표면에 특정파장의 빛이 조사되면 흡수 또는 산란되어 금속의 유도전자의 강한 진동을 일으키고 열에너지로 방출하는 현상(플라스모닉 효과)을 보이는 물질이며, 마그네토 플라스모닉 나노입자(Magneto Plasmonic Nano particle, MPN)는 자석과 금속의 복합체로 자기력 및 광학적 특성을 동시에 가지고 있는 나노물질을 말한다.  

이를 PCR에 적용하여 고속 유전자증폭과 검출이 가능한 현장진단형(POC) 코로나19 진단 장비인 ‘nanoPCR’을 개발했다.

MPN은 특정 파장의 빛에 감응하여 빛을 열에너지로 바꾸는 ‘플라스모닉 효과’를 띔과 동시에 샘플 분리를 가능하게 하는 자기력을 가지고 있다. 때문에 유전물질의 증폭과 검출을 동시에 해내면서 소량의 유전물질로도 정확한 검출을 할 수 있다.

nanoPCR의 RT-PCR 작동 사이클 및 이를 구현한 현장중심형 nanoPCR 장치 / 자료이미지=IBS
nanoPCR의 RT-PCR 작동 사이클 및 이를 구현한 현장중심형 nanoPCR 장치 / 자료이미지=IBS

나노기술로 신속성과 정확성, 두 마리 토끼를 잡은 셈이다. 

나아가 한 번에 여러 시료를 탑재할 수 있는 ‘페리스휠 (Ferris wheel) 시스템’ 을 적용하여 분석 처리량을 향상시켰다. 페리스휠 (Ferris wheel) 시스템 이란 관람차(Ferris Wheel)처럼 회전하면서 여러 샘플을 순차적으로 레이저 빛에 가열하는 시스템이다. 

역전사 유전자증폭기기(RT-PCR)과 nanoPCR 비교 / 사진=IBS
역전사 유전자증폭기기(RT-PCR)과 nanoPCR 비교 / 사진=IBS

개발한 nanoPCR은 작고 가벼워(15x15x18.5cm, 3kg) 현장에서 손쉽게 사용할 수 있다.

연구팀은 nanoPCR로 실제 코로나19를 진단하는 환자검체시험을 진행했다. 그 결과 환자 1명의 샘플분석을 약 17분 만에 마쳤으며, 150명의 감염여부를 정확히 판정했다. 이중 75명은 양성으로, 75명은 음성으로 나타났다. 이는 RT PCR 수준의 정확도(99%)를 갖추면서도 진단시간은 획기적으로 단축시킨 것이다.


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