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유전자·세포 도핑 차세대 분석기술 개발, 스포츠 윤리와 공정성 지킨다

- 유전자 가위 활용한 체외 유전자·세포 도핑 여부 고속 진단법 개발

- KIST 도핑콘트롤센터, 세계반도핑기구와 국제 공인 논의 진행

한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 도핑콘트롤센터의 성창민 책임연구원은 고려대학교 생명공학부 박희호 교수 공동연구팀과 유전자 가위(크리스퍼-카스(CRISPR-Cas)) 기반의 고처리량 다중 유전자·세포 도핑 분석법(HiMDA, High-throughput Multiplexed gene and cell Doping Analysis)을 개발했다고 밝혔다.

운동 능력 향상을 위한 비윤리적 도핑이 첨단 기술과 결합하면서 지능화되고 있으며, 특히 유전자나 세포치료제를 활용해 체내 기능을 조작하는 ‘유전자·세포 도핑’은 스포츠계의 공정성을 심각하게 위협하고 있다. 근력 및 지구력을 극대화할 수 있는 인슐린 유사 성장인자(IGF-I), 적혈구 생성인자(EPO) 등 유전자 기반 약물은 일부 종목의 운동선수들 사이에서 경기력 향상을 위한 수단으로 악용될 가능성이 높다. 이에 따라 세계반도핑기구(WADA)는 2003년부터 해당 행위를 금지하고 있으나, 유전자 및 세포 도핑을 정확히 판별할 수 있는 진단기술은 아직 초기 단계에 머물러 있다.

2021년 세계반도핑기구가 유전자 도핑 검사법 가이드라인을 처음 발표한 이후, 도쿄 하계올림픽에서 실시간 중합효소연쇄반응(qPCR) 기반의 유전자 증폭 검사법이 시범 도입되었지만, 현행 단백질 수준의 도핑 분석법으로는 체내 단백질과 구조적으로 동일한 체외 유전자 물질은 명확한 구분이 어려운 실정이다. 이로 인해 DNA 수준에서 체외 유전자를 구별할 수 있는 새로운 분석 플랫폼의 필요성이 대두되고 있다.

연구팀이 개발한 분석법은 복잡한 시료 전처리 과정 없이 혈액 내에서 표적 유전자를 직접 증폭하고, 이후 노벨 화학상을 수상한 유전자 편집 기술(CRISPR-Cas)을 적용해 체외 유전자의 존재를 신속하고 정밀하게 판별하는 방식이다. 연구진은 인간 성장호르몬(hGH, EPO, IGF-I) 등 대표적인 유전자 도핑 물질을 실험용 마우스 모델에 주입한 뒤 분석 플랫폼을 적용한 결과, 손끝에 맺힌 핏방울의 절반만큼도 안 되는 극소량의 혈액 시료 5μL(마이크로리터)만으로도 2.5 분자 수준의 체외 유전자를 90분 이내에 정확히 검출하는 데 성공했다. 이는 기존 분석법 대비 민감도 및 특이도 모두에서 우수한 성능을 입증한 것이다.

개발한 분석법은 도핑검사에 국한되지 않고, 감염병 조기 진단, 항생제 내성 유전자 탐지, 유전병 검사, 세포치료제 적응성 평가, 정밀의료 분야 등으로의 응용이 가능한 플랫폼 기반 진단기술로 평가된다. 현재 해당 기술은 세계반도핑기구 공인 분석법으로 채택되기 위한 인증 절차를 진행 중이며, 유전자·단백질 기반의 다양한 신규 도핑 방식에 대응 가능한 차세대 반도핑 검사 플랫폼으로 주목받고 있다.

KIST 성창민 책임연구원은 “이번 연구는 유전자 편집 기술을 도핑검사에 적용하여, 기존 기술의 한계를 극복하고 스포츠 윤리와 공정성을 지키는 데 기여할 수 있는 실질적 해법을 제시한 것”이라며, “향후 정밀의료와 유전자 진단 기술의 핵심 기반으로 발전할 가능성이 크다”고 밝혔다.

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유상임)의 지원을 받아 KIST 주요사업과 세계반도핑기구 연구 지원사업(241E07CS)으로 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 「Science Advances」 (IF 12.5, JCR 상위 8.5%) 최신 호에 게재됐다.

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[그림 1] 유전자 도핑 약물 종류와 유전자 가위를 이용한 검출 방법 모식도

유전자 도핑은 운동 능력을 향상 시킬 수 있는 단백질을 암호화하는 유전자를 이용하며, 현행 단백질 약물 모니터링 반도핑 검사법을 회피할 수 있다.

[그림 2] 유전자 가위를 이용한 도핑 유전자 4종의 2.5분자 및 도핑 유전자 변형 세포 1개 검출 결과

혈액 속 매우 미량의 도핑 유전자 및 유전자 변형 세포제제를 핵산 추출 없이 바로 증폭하며, 이후 유전자 가위의 한 종류인 Cas12a의 서열 의존적 형광 반응으로 타겟 유무를 확인한다. 혈액으로부터 결과 판독까지 90분 이내의 짧은 시간에 이뤄진다.

[그림 3] 실제 실험에 사용되는 혈액 속 도핑 유전자 증폭 과정과 이를 검출하여 육안으로 확인하는 경우의 예시

혈액 내 도핑 유전자를 핵산 추출 없이 증폭하여 추출에 드는 시간과 인력을 단축할 수 있다는 장점이 있다. 이로써 여러 혈액 시료를 동시에 처리할 수 있어 고속처리 및 분석이 가능하다.

[그림 4] 적혈구 생성인자 유전자 도핑 제제 및 유전자 변형 세포 제제 검출의 동물 실험 결과

각 실험군 별 7마리의 쥐가 사용되었으며, 약물 주입 후 84시간 뒤 해당 목적 유전자 약물 및 유전체 변형 세포를 처리한 쥐의 혈액에서도 도핑 목적의 적혈구 생성인자의 유전자를 검출하였다.

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