바이오인

핵심내용

고위험성병원체 초고강도 동시검출 시스템 개발
생물 테러 가능한 병원체 현장 조기 진단에 기여

□ 한국연구재단(이사장 정민근)은 국내 연구진이 고위험성 병원체*인 탄저균, 페스트, 야토균, 천연두의 초고감도 동시 검출을 위한 시스템 개발에 성공했다고 밝혔다. 
   * 고위험성 병원체 : 막대한 인명피해와 사회적 혼란을 야기할 수 있는 생화학무기 또는 국가 안보를 위협하는 유해 생물체

□ 한양대학교 ERICA 캠퍼스 최종훈 교수팀은 나노센서기술을 이용한 고위험병원체 다중검출 통합모듈 개발에 대한 연구를 교육부와 한국연구재단이 지원하는 신진연구자지원사업을 통해 수행하였으며, 연구결과는 나노분야 권위 있는 국제학술지인 나노스케일(Nanoscale) 10월 14일자 온라인 판에 표지논문(cover article)로 게재되었다.

 o 논문명과 저자 정보는 다음과 같다.
   - 논문명: Engineered nanoconstructs for the multiplexed and sensitive detection of high-risk pathogens
   - 저자 정보: 최종훈 교수(교신저자, 한양대), 서영민, 김지은 박사과정생(공동 제1저자, 한양대)

□ 논문의 주요 내용은 다음과 같다.

 1. 연구의 필요성
   ○ 탄저균, 야토균, 페스트, 천연두와 같은 고위험성 병원체(high-risk pathogen)는 미국 질병통제예방센터가 ‘막대한 인명피해와 사회적 혼란을 야기할 수 있는 생화학무기 또는 국가 안보를 위협하는 유해 생물체’로 정의하고 있다.
   ○ 때문에 이들 병원체는 극미량이라도 신속히 검출할 수 있어야 하지만 기존의 효소면역측정 방법*은 검출감도가 낮아 조기 진단이 매우 어렵고 진단을 위한 전(前)처리과정이 복잡하며 한 번에 한 가지 병원체만을 검출한다는 한계를 지닌다.
     * 효소면역측정 방법(Enzyme Linked Immuno Sorbent Assay, ELISA) : 타깃 세균 표면단백질에 결합하는 항체로 세균을 고정하고 2차 항체로 염색하여 병원체 유무와 양을 확인하는 방법

 2. 개발 원리
   ○ 본 연구팀은 자가조립되는 구형 단백질 나노입자인 아포페리틴(apoferritin)*에 유전자 재조합 방식**으로 기능성을 부여해 항체와 결합하는 부위(protein G)와 형광물질이 결합하는 부위(6x-His tag)가 동시에 발현되도록 설계하였다.
     * 아포페리틴(apoferritin) : 24개의 서브유닛으로 구성된 직경 10~15 나노미터의 자가조립형 구형 단백질로 철입자와 결합하여 페리틴(ferritin)을 형성한다
     ** 유전자 재조합 방식 : DNA 일부를 분리하고 원하는 기능을 가진 다른 DNA 조직을 그 자리에 연결, 재조합하여 새로운 DNA를 만들어내는 기술. 특정 단백질을 대량 생산할 수 있음
   ○ 기능성이 부여된 아포페리틴 나노입자에 타깃 병원체와만 결합하는 항체와 형광물질을 부착하고, 초소형 자석구슬에도 타깃 병원체와 결합하는 항체를 부착한 후 고위험성 병원체가 들어있는 시료에 섞으면 나노입자-병원체-자석구슬이 샌드위치처럼 결합한다. 이 결합체를 자석으로 끌어당겨 반응에 참여하지 않은 불순물들을 거르고 형광검출기로 형광물질을 측정하면 시료 속 고위험성 병원체 유무와 농도를 알 수 있다.
   ○ 자석구슬에 두 종류의 타깃 병원체에 각각 결합하는 항체를 동시에 부착하고 기능성을 부여한 아포페리틴 나노입자에 타깃 병원체마다 각기 다른 파장의 형광물질을 부착하면 한 번에 두 종류의 병원체를 동시에 검출할 수 있다.

 3. 연구 성과
   ○ 본 연구는 고위험성 병원체의 검출 가능 최저 농도를 획기적으로 낮추어 기존 기술에 비해 10배~20배 이상 검출감도를 향상 시켰다.
   ○ 또한, 2종 이상의 고위험성 병원균(야토균, 탄저균, 페스트, 천연두)이 섞여 있을 때 각각의 병원균들을 검출감도의 손실 없이 검출할 수 있으며 2 종의 고위험성 병원균을 동시에 검출할 수도 있다.

□ 최종훈 교수는 “국제적으로 바이오테러에 대한 관심이 높아지고 있으며 특히 대한민국은 북한으로부터의 바이오테러에 대한 현실적 위협과 공포로부터 벗어날 수 없다. 본 연구는 현 기술에서 검출하기 어려운 낮은 농도의 고위험성 병원균을 판별함으로서 보건 및 국방의 분야에 필수기반기술로 적용할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

상세내용

연 구 결 과  개 요

 1. 연구배경
  ㅇ 생물테러 가능 고위험병원체는 막대한 인명피해와 사회적 혼란을 야기할 수 있으며 국가안보를 위협할 수 있기 때문에 생물테러 가능 고위험병원체의 진단/담지는 테러 상황 유무의 판단과 수반되는 대응정책의 결정에 있어서 매우 중요한 기술로 신속도 및 민감도의 증대의 필요성이 대두되고 있으나 기존 기술은 민감도 부분에서의 한계가 존재해왔다. 따라서 생물테러 의심검체에 대한 위험여부 또는 그 정도를 현장에서 판단하여 신속하게 대응하기 위하여 검출기술의 감도 및 신속성을 향상시킨 새로운 나노소재를 개발함으로써 기존 기술의 한계를 극복하는데 중요한 기술적 토대를 마련하였다.

 2. 연구내용
ㅇ 본 연구에서는 유전자재조합 방식을 이용하여 자가조립형 구형단백질 나노입자인 아포페리틴에 항체와 결합하는 부위와 형광물질이 결합하는 부위가 동시에 발현될 수 있는 새로운 나노소재를 개발하였다.
ㅇ 기능성이 부여된 아포페리틴 나노입자에 타깃 병원체에 특이적인 항체와 형광물질을 부착하고, 초소형 자석구슬(마그네틱 비드)에도 타깃 병원체에 특이적인 항체를 결합시켜 고위험성 병원체가 들어있는 시료에 섞어주면 나노입자-병원체-마그네틱 비드가 결합하게 되고 이를 자석으로 끌어당겨 불순물들을 걸러내고 형광검출기로 측정하여 병원체에 결합된 형광의 세기를 통해 시료 속 고위험성 병원체의 유무와 농도를 알 수 있다.
   ㅇ 초소형 자석구슬(마그네틱 비드)에 2종류의 타깃 병원체에 특이적인 항체를 동시에 각각 결합시켜주고, 기능성이 부여된 아포페리틴 나노입자에 타깃 병원체마다 각기 다른 파장의 형광물질을 부착하면  2종류의 병원체를 동시에 검출할 수 있게 된다.
ㅇ 본 연구의 자가조립형 단백질 나노구조체는 고위험성 병원체 (탄저균, 야토균, 페스트, 천연두)를 선택적으로 검출할 수 있으며 기존 검출 방식인 효소면역측정 방법에 비해 10배-20배 이상의 높은 민감도를 보유하고 있다. 
ㅇ 본 연구팀은 개발한 자가조립형 단백질 나노구조체를 이용하여 2종 이상의 고위험성 병원균이 섞여 있는 시료에서 각각의 병원균을 검출감도의 손실 없이 각각 센싱할 수 있으며 2종의 고위험성 병원균을 동시에 검출하는데 성공하였다.

3. 기대효과
 ㅇ 본 기술을 통해 생물테러 및 국가안보를 위협하는 고위험병원체 다중 정밀 검출을 위한 나노구조체 제작 기술을 확보하여 민감도와 특이도가 높은 생물테러 병원체 탐지 키트 개발에 도움을 줄 수 있으며 동시에 여러 종류의 고위험병원체에 노출되었을 경우에도 신속하게 검출하여 이를 통해 막대한 인명피해와 사회적 혼란을 야기할 수 있는 고위험병원체를 현장에서 조기에 검출하여 테러 상황 유무의 판단과 대외적 국가안보에 수반되는 대응정책의 결정에 도움을 줄 수 있다.

★ 연구 이야기 ★

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

핵무기에 이어 바이오테러의 대표적 병원체인 탄저균과 같은 고위험성 병원체들은 국가를 위협하고 인류를 공포에 몰아넣고 있다. 따라서 우리는 이러한 고위험성 병원체들에 대한 빠른 대응방법과 피해를 최소화하기 위한 방법을 모색하면서 관련 연구를 시작하게 되었다. 고위험성 병원체들에 대한 가장 빠른 대응방법으로 조기진단에 초점을 맞추었고 현재 조기진단의 가장 큰 문제점인 검출한계 향상이라는 문제를 풀기위해 노력하였다. 

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

본 과제의 책임자인 한양대학교 최종훈 교수는 나노기술을 이용해 병원체를 검출하는 방법을 꾸준히  연구하여 왔다. 2013년에 질병관리본부와 공동연구한 것을 계기로 고위험성 병원체를 검출에 대한 나노기술을 계속해서 발전해 나갔으며 이렇게 축적된 기술을 바탕으로 고위험성 병원체를 초고감도로 동시에 검출할 수 있는 자가조립형 단백질 나노구조체를 성공적으로 개발하였다. 본 연구에서는 개발된 나노구조체를 이용하여 고위험성 병원체를 기존대비 검출감도를 10배-20배 이상 향상시켜 정확하게 검출하였으며 2종을 동시에 검출할 수 있다는 것을 증명하였다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

본 연구는 비록 사균이지만 고위험성 병원체를 다루기 때문에 여러 국가기관의 허가가 필요했으며 관리 또한 철저히 진행해야만 했다. 처음 진행되었던 고위험성 병원체 관련 실험이어서 병원체 관리감독에 대한 교육을 소홀히 할 수 없었다. 또한 병원체, 단백질과 같은 생물공학과 나노구조체 합성에 관련된 화학공학, 유전자 재조합기술인 유전공학에 대한 다학제적 접근이 필요하므로 연구에 참여하는 대학원생들이 광범위한 분야의 기술을 깊게 이해해야 하는 어려움이 존재했다. 하지만 연구가 진행되는 동안 꾸준히 미팅과 세미나를 진행하였고 이를 기반으로 앞으로의 연구방향과 각자 역할수행에 대한 방향을 제시해 나갔다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

기존 고위험성 병원체 진단기술의 한계(낮은 검출감도)를 극복한 새로운 형태의 자가조립형 단백질 나노구조체를 개발하였으며, 이를 바탕으로 고위험성 병원체를 기존대비 검출감도를 10배-20배 이상 향상시켰으며 고위험성 병원체 2종을 동시에 검출할 수 있다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?

기존 기술보다 향상된 민감도를 가지는 나노프로브를 개발함으로서 이를 활용하여 다른 연구 영역에서의 검출능 향상에 적용하는 것이 목표.

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