바이오인

[Nano Insight 2020 SUMMER VOL. 26]

[목  차]

| 인터뷰 |

한림원 석학들의 지식·혜안 모아 코로나19 대응

| 칼럼 |

국가 지속가능 발전 목표와 나노기술

| 이슈 앤 이슈 |

글로벌 판데믹 극복을 위한 나노기술 기반 바이러스 검출용 바이오센서

| 특집 |

뉴로모픽 소자 개발의 현황 및 상용화 전망

| 에세이 |

초소형 ‘바이오로봇’ 어디까지 왔나? 생체로봇과 나노기술

| 나노기관 소개 |

전지기능 나노융합 소재·부품기술로 4차 산업혁명 시대를 선도하다!

글로벌 판데믹 극복을 위한 나노기술 기반 바이러스 검출용 바이오센서

인류가 존재하기 전부터 바이러스는 생명체와 서로 영향을 주고받으며 끊임없이 진화해왔다. 크기가 아주 작고 구조가 비교적 단순한 원생생물에서부터 복잡한 기관과 구역을 갖고 있는 식물과 곤충, 동물까지 바이러스의 공격을 막기 위해 내부 면역체계를 발전시켰다. 이러한 외부 바이러스의 감염과 전파는 의료기술과 보건기술이 발달한 2020년 현재까지도 지속적으로 이어지고 있다. 현재 전 세계는 코로나 바이러스를 막기 위해 고군분투 중이다. 바이러스와 함께 진화한 첨단 생명공학기술, 보건학, 의약학 등을 통해 질병의 조기 진단과 치료를 발전시켜 나가고 있다.

특히 나노기술은 현대 인류에게 극미량의 바이러스를 고감도로 증폭할 수 있는 획기적인 기법을 제공한다. 본 ‘이슈앤이슈’ 지면을 통해 글로벌 판데믹 상황에서 나노기술을 이용한 바이러스 검출 동향을 알아보고자 한다.

이택 (광운대학교 화학공학과 교수)

판데믹과 코로나 바이러스?

2020년 3월 세계보건기구(WHO)는 코로나바이러스감염증-19(COVID-19) 판데믹(Pandemic)을 선언했다. 판데믹이란 그리스어로 ‘Pan’은 ‘모두’, ‘Demic’은 ‘사람’이라는 뜻이다. 전염병이 세계적으로 전파되어 모든 사람이 감염된다는 의미를 지니고 있다. 전염병 경보 1~3단계에서는 주로 대비책을 준비하고, 4단계부터는 각국에서 여행자제 조치 등의 구체적 전염병 확산 방지 지침을 내리고 철저한 예방준비에 돌입하게 된다.

역사적으로 동서양을 아울러 판데믹은 나라의 흥망에 영향을 미칠 정도였다. 가장 유명한 판데믹은 중세 유럽 인구의 30%를 사망케 했던 흑사병이다. 이 외에도, 20세기 초기 스페인 독감이라 불린 1918년의 인플루엔자 H1N1 바이러스, 1968년 50만 명의 사망자를 내었던 H3N2의 확산을 판데믹이라 칭할 수 있다. 2000년대 이후 들어서는 돼지독감과 신종플루, 사스 바이러스(SARS-corona virus)와 메르스 코로나 바이러스(MERS corona virus)에 이어 2019년의 COVID-19가 인간의 번열과 복지를 위협하는 실정이다.

바이러스는 ‘단백질로 구성된 캡슐 안에 들어있는 유전물질’ 정도로 정의될 수 있다. 캡시드(Capsid)라고 불리는 외피 단백질에 둘러싸여 있고, 내부는 단일가닥 혹은 이중가닥의 DNA나 RNA로 구성되어 있다. 바이러스는 숙주 세포 내에 있지 않을 때는, 자체적으로 생명체와 같은 7가지 특성(조직화, 생식, 성장과 발생, 환경에 대한 반응, 에너지의 이용, 조절, 진화적 적응)을 나타내지 않아, 생명체로 간주하기 어렵다. 숙주의 세포 내에 들어가 영양분과 에너지를 이용하여 성장·증식하며 숙주 세포의 DNA와 결합하거나, 숙주 세포를 파괴한 후 다른 숙주 세포들을 감염시키는 양상을 띤다.

[표 1] WHO 전염병 6단계

바이러스는 다양한 질병들(홍역, 이하선염, 수두, 소아마비, 에볼라, 에이즈 등)을 야기한다. 애석하게도 현재까지 바이러스 질환은 감염된 후에는 치료하기가 굉장히 어렵다. 신체가 자체적으로 바이러스 침투에 대한 면역력을 이용하여 싸우거나, 소량의 바이러스가 투입된 백신을 이용하여 치료를 해야 하는데 백신 개발에 오랜 시간이 걸린다. 인간이 바이러스와 같은 병원체에 감염되면 다양한 증상이 일어난다.

특히 이러한 바이러스들 중에서 문제가 되는 종은 다양한 변형종을 만들 수 있는 단일가닥 RNA 바이러스다. 코로나바이러스-19(COVID-19)도 여기에 속한다. 사람에게서 감염을 일으키는 코로나바이러스를 Human Coronavirus 줄여서 h-CoV라고 하는데 지금까지 7가지 동류가 보고되었고, 그 중 hCoV-229E, OC43, NL63, HKU1 4가지는 라이노바이러스(Rhinovirus)와 함께 사람에게서 감기를 일으키는 원인 바이러스 중 하나다. 통상적으로 병원성이 약하고 사망률도 낮다.

그런데 이 4가지 외에 3가지 변종 바이러스들은 문제가 심각하다. 사스(SARS)와 메르스(MERS), COVID-19이다. 코로나바이러스는 공통적인 외형 특징으로, 외피 단백질에 Spike 단백질과 Membrane 단백질 Envelope 단백질을 갖고 있다. 높은 전파율과 치사율을 가지고 있으며, 잠복기에도 다른 사람에게 전염이 가능하다. 현재 백신과 치료법도 존재하지 않는다. 공기 중으로 감염되기보다는 감염된 환자의 타액에 의한 비말 감염이 주된 확산 경로이다.

나노기술을 이용한 바이러스 검출용 바이오센서

이러한 바이러스를 조기에 현장에서 극저농도로 진단하는 기술은 질병 확산을 막는 데 필수적이다. 질병을 고감도로 정확하고 빠르게 검출할 수 있는 기술에 대한 사회적 요구는 폭발적으로 증가하고 있는 실정이다. 현재까지 병원이나 방역당국에서 사용하고 있는 바이러스 측정 및 진단 기법들은 대체적으로 긴 시간과 많은 양의 샘플, 그리고 고도로 훈련된 연구원이 필요하다. 대표적인 바이러스 검출 기법인 PCR 기반의 검출방법과 면역형광분석법, ELISA 등은 바이러스에 따라 6시간에서 10일을 배양해야 한다.

저농도의 바이러스를 빠른 시간에 검출하기 위한 방법 중 하나로 나노기술이 바이러스 검출용 바이오센서에 도입되었다. 대표적인 검출기법으로 전기화학, 전기적 측정, 표면 플라즈몬 공명 기반 분광기법 등을 들 수 있다.

[그림2] 조류독감 바이러스(Avian Influenza Virus) 검출용 다공성 금나노 입자가 도입된 전기화학 기반 바이오센서

전기화학 기반의 바이러스 검출용 바이오센서는 가장 범용적으로 사용되고 있는 형태다. 효소나 항체, 핵산 등의 생체 수용체를 표지한 전극에, 검출하고자 하는 물질과 신호를 매개할 수 있는 물질을 넣는 기법이다. 휴대하기 쉬우며, 작동 및 조작 기법이 편하고, 신호대비 낮은 잡음을 갖고 있다.

또한 다양한 샘플이 섞여 있어도 원하는 표적물질의 검출이 용이하다. 이러한 바이오센서 전극 표면에 금나노입자, 그래핀, 카본나노튜브, 백금나노입자 등과 같은 나노입자를 도입하면, 기존의 바이오센서와 대비하여 같은 전극 표면에 더욱 많은 수의 수용체를 고정화 할 수 있을 뿐만 아니라, 전기화학 신호 감도의 향상과 전자 전달을 촉진하는 등의 다양한 장점을 늘릴 수 있다. 또한 최근에는 나노 리소그래피 기술을 도입하여, 미세 나노전극 기반 전기화학 바이오센서를 제작해 한 개의 집적된 칩에서 다양한 샘플을 검출할 수 있도록 했다.

전기측정 기반의 바이오센서도 나노기술의 도입으로 고감도 센서를 제작할 수 있다. 바이러스는 일반적으로 전기가 통하지 않는 부도체로 간주되는 경우가 많아, 저압과 전류 측정 시 일어나는 저항 변화로 고감도의 바이러스 검출을 가능케 한다. 전기 측정 기반의 바이러스 검출용 센서는 주로 전기장 효과 트랜지스터(Field Effect Transistor : FET) 형태가 대표적이다. 소스와 드레인, 게이트로 구성된 일반 트랜지스터가 전류를 증폭시키는데 비해 FET는 전압을 증폭시킨다. 내부구조에 따라, VFET, JFET이나 MOSFET 등으로 분류된다. 준비된 전극에 생체 수용체를 고정시키고, 검출물질의 인가에 따른 전압-전류 곡선을 비교하여 타깃을 검출할 수 있다. 이러한 대상물질에 금 나노입자와 그래핀, MoS₂와 Bi₂Se₃와 같은 위상부도체를 도입함으로써, 더욱 고감도의 FET를 제작할 수 있다. 또한 터널링 전류와 같은 나노물리 기반 기술들도 활용 가능하다.

분광 기반의 바이오센서에서 나노기술은 더욱 중요하다. 표면 플라즈몬 공명현상(Surface Pasmon Resonance:SPR) 기반 바이오센서는 금이나 백금 같은 금속 박막 표면에 특정 물질이 결합 또는 고정되어 있을 때, 금속 표면의 굴절률이 변하게 되는 현상을 이용한다. 이는 광원을 조사하였을 경우, 반사되는 빛 중 SPR 현상이 일어나는 공명각을 확인하여, 생체 수용체와 타깃 물질 간의 결합을 굴절 각도로 확인하고, 물질의 농도를 정량적으로 확인할 수 있는 기술이다. 국소 표면 플라즈몬 공명현상(Localized Surface Plasmon Resonance:LSPR) 기술은 나노기술이 없으면 아예 실현이 불가능하다. 이 기술은 다양한 형태(막대기, 구형, 다공성형 등)의 금속 나노입자에 빛을 조사하였을 경우 유도되는 SPR 현상을 국부적으로 확인하는 기법이다. 표면 위에 올라간 생체 수용체와 바이러스 간의 결합 유무가 파장의 세기 혹은 길이 변화로 나타나며, 이러한 차이를 이용하여 극미량의 바이러스 농도 차이를 확인할 수 있다.

이처럼 다양한 형태의 바이러스 검출용 바이오센서에 나노기술을 접목함으로써 새로운 개념과 기능을 갖는 바이오센서를 개발할 수 있다.

앞으로의 전망과 과제

2016년 6월 스위스 다보스 포럼에서 세계적인 미래학자 클라우스 슈밥(Klaus Schwab)이 4차 산업혁명을 선언한지 4년이나 지난 현재, 인류는 코로나 바이러스라는 초유의 위기를 맞고 있다. 첨단 과학과 의료 시스템을 자랑하던 미국, 유럽, 일본이 방역에 실패할 정도로, 코로나 바이러스는 지금도 감염자와 사상자를 늘려나가고 있다.

시간이 좀 더 지나, 백신과 치료제가 개발이 되면 이러한 극단적인 상황도 어느 정도는 수습이 될 것이다. 그러나 이제 제2, 제3의 코로나 바이러스가 나타나지 않으리라 단언할 수 있는 사람은 없을 것이다. 조류독감, 인플루엔자, 돼지열병 바이러스, 뎅기열 바이러스 등의 변형체가 더욱 더 큰 파급력과 전염성을 갖고 올 시대에 대비해야 한다.

나노기술은 극미량의 전염성 바이러스 진단에 강한 해결책이 될 수 있을 것이다. 나노기술을 이용한 고정밀의 휴대용 바이러스 진단기기를 적극적으로 도입하기 위해서는, 나노물질에 대한 다양한 연구와 대량생산 기법 연구, 성능 평가 등이 필수적이다. 인류의 복지와 건강을 증진시킬 수 있도록 나노기술을 이용한 바이러스 진단과 치료제 개발에 박차를 가해야 한다.

참고문헌

[1] Kannan Subbaram, Hemalatha Kannan, Mansour Khalil Gatasheh, ‘Everging Developments on Pathogenicity, Molecular Virulence, Epidemiology and Clinical Symptoms of Current Middle East Respiratory Syndrome Coronavirus(MERS-CoV)’, HAYATI Journal of Biosciences, Vol. 24, 53-56(2017)

[2] Taek Lee, Sun Yong Park, Hongje Jang, Ga Hyeon Kim, Yeonju Lee, Chulwhan Park, Mohsen Mohammadniaei, Min-Ho Lee, Junhong Min, ‘Fabrication of Electrochemical Biosensor consisted of Multi-functional DNA Structure/porous Au Nanoparticle for Avian Influenza Virus(H5N1) in Human Serum’, Material Science & Engineering C, Vol. 99, 511-519(2019)

[3] 두산백과사전

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