바이오인

신·변종 호흡기 바이러스 현장 신속진단 플랫폼 개발

- 다종의 호흡기 바이러스를 현장에서 선별검출 가능한 그래핀 기반의 바이오센서 개발…영장류 코로나바이러스 변이주 감염모델 통해 유효성 검증

- 미래 신‧변종 감염병 유행 대응에 활용 기대

◈본문

□ 한국생명공학연구원(원장 김장성, 이하 생명연)은 국가영장류센터 홍정주 박사와 성균관대학교 권오석 교수, 한국과학기술연구원(원장 윤석진, 이하 KIST) 송현석 박사 공동 연구팀이 다종의 호흡기 바이러스를 현장에서 신속하게 검출할 수 있는 플랫폼을 개발하는 데 성공하였다고 밝혔다.

ㅇ 이를 통해 향후 코로나-19와 같은 신‧변종 감염병 발생 시 진단 기기를 개발하는데 필요한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대되고 있다.

□ 감염병의 발생은 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 하나는 이미 발생한 감염병이 적절한 환경에서 다시 유행하는 것이고, 다른 하나는 지금껏 없던 신종 감염병이 발생하는 것이다.

ㅇ 2002년 발생한 중증급성호흡기증후군(SARS, 사스), 2012년 발생한 중동호흡기증후군(MERS, 메르스) 그리고 2019년 발생한 코로나바이러스감염증-19(COVID-19, 코로나-19)와 같이 21세기에 들어 크게 유행한 감염병은 호흡기 바이러스로 인한 신종 감염병이 주를 이루고 있다.

□ 신종 호흡기 감염병이 발생하면 빠르고 정확하게 진단할 수 있는 진단기기가 필수적이지만 기존의 진단기기는 민감도와 특이도가 낮아 생활 속 현장 진단에서의 활용에는 제한이 있었다.

ㅇ 코로나 대유행을 겪으며 현장 진단 기기가 비약적인 발전을 이루었지만, 여전히 정확한 진단을 위해서는 PCR과 같은 별도의 검사가 필요한 실정이다.

□ 이에 연구팀은 그래핀(graphene) 소재를 활용해 수십 초 만에 다수의 호흡기 바이러스를 고감도로 동시에 선별할 수 있는 현장 진단 플랫폼을 개발하였다.

ㅇ 지금까지 개발된 그래핀 기반의 바이오센서는 적층 방식의 한계로 인해 외부인자를 받아들이는 수용체를 그래핀 소재와 결합하면 노이즈 신호, 극한 환경에서의 안정성 저하 등의 문제가 발생해 현장 진단에서 활용하기에는 제한이 있었다.

ㅇ 연구팀은 미세한 자극에도 패턴을 나타내는 다채널 트랜지스터를 기반으로 여러 종의 호흡기 바이러스를 선택적으로 검출할 수 있는 수용체와 함께 수용체의 신호를 간섭없이 그래핀에 전달할 수 있는 인터페이싱 화합물을 개발하였다.

ㅇ 또한, 그래핀에도 소재 특성의 변화 없이 표면을 박막 코팅하는 패시베이션 층을 형성하여 바이러스 수용체와 인터페이싱 화합물 그리고 그래핀 소재 간 적층 구조의 안정성을 확보하고 외부 환경에서도 성능 저하 없이 안정적인 신호전달이 가능한 센서를 제작하였다.

□ 특히, 연구팀이 개발한 센서는 타액(침)에 별도의 전처리 없이 진단할 수 있어 편의성도 확보하였으며, 델타 및 오미크론에 감염된 영장류 모델을 통해 유효성을 검증하며 현장에서의 활용 가능성을 높였다.

□ 연구책임자인 생명연 홍정주 박사는 “영장류를 통해 유효성을 확인한 현장 신속진단 플랫폼을 개발한 만큼 앞으로 다가올 신종 호흡기 감염병 유행의 대비에도 도움이 되길 희망한다.”라며,

ㅇ “앞으로도 감염의 경로를 정확하게 확인할 수 있는 영장류 감염모델이 다양한 병원체 진단 기기 개발에 유용하게 활용되기를 기대한다.”라고 밝혔다.

□ 공동 교신저자인 성균관대 권오석 교수는 “이번에 개발한 플랫폼은 다종의 호흡기 바이러스를 동시에 빠르게 고감도로 모니터링할 수 있는 것으로 고위험군 전염병의 사전 확산 방지가 가능하기에, 추후 넥스트 팬데믹 상황에서 유연한 대응이 가능할 것으로 사료된다.”라고 말했다.

□ 공동 교신저자인 KIST 송현석 박사 역시 “고민감도 센서 플랫폼과의 융합을 통해 고성능 진단 기술 개발이 가능했고, 향후 신‧변종 감염병 확산 대응에 활용될 수 있을 것으로 기대한다.”라고 밝혔다.

□ 이번 연구는 3월 1일 발행된 나노과학 분야의 세계적인 저널인 Advanced Materials(IF 29.4) 최신 호에 게재되었으며,

(논문명 : Synchronous diagnosis of respiratory viruses variants via receptonics based on modeling receptor‒ligand dynamics / 교신저자 : 생명연 홍정주 박사, 성균관대 권오석 교수, KIST 송현석 박사 / 제1저자 : 생명연 서성은 학생연구원‧김경호 박사‧하시영 박사)

ㅇ 과기정통부 국가전임상지원체계구축사업, 농식품부·과기정통부·농진청 스마트팜다부처패키지 혁신기술개발사업, 환경부 환경기술개발사업, NST 창의형 융합연구사업, 나노종합기술원, 생명연 주요사업의 지원으로 수행되었다.

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 <그림 설명>

그림 1. 신‧변종 호흡기 바이러스 현장 동시진단 개략도

호흡기 바이러스의 동시 다중 진단이 가능하도록 다채널의 그래핀 트랜지스터 표면에 선택적으로 바이러스 검출이 가능한 수용체를 고정화하여, 바이러스와의 반응 시 일어나는 전기 신호를 전달함

그림 2. 코로나바이러스 변이주를 활용한 수용체 검출 시뮬레이션

알파, 델타, 오미크론 등 코로나바이러스 변이주와 ACE2 및 NRP-1 수용체 간 상호작용을 시뮬레이션하여 검출 가능성을 검증함

그림 3. 신‧변종 호흡기 바이러스 현장 신속진단 센서와 그래핀 트랜지스터 표면 이미지

다양한 종의 호흡기 바이러스(인플루엔자, 코로나 등)를 동시에 진단하기 위한 스크리닝 플랫폼으로 그래핀 표면에 결합한 수용체의 수에 따라 검출 가능한 타겟 바이러스 수가 달라짐

그림 4. 코로나바이러스 알파(왼쪽) 및 델타(오른쪽) 변이주를 이용한 현장 신속진단 플랫폼 유효성 검증

코로나 바이러스 변이주 배양액(윗쪽)과 영장류 감염 모델의 타액(아랫쪽) 모두20초 내외로 패턴의 변화를 나타내어 유효성을 확인함

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