바이오인

 

□ 한국과학기술연구원(KIST) 분자인식연구센터 우경자 박사팀과 바이오마이크로시스템연구단 김상경 박사팀은 형광 특성과 자석 성질을 이용해서 신종인플루엔자, SARS, 조류 독감, 돼지 독감 등 병원체와 화학물질 등 표적물질을 현장에서 신속하고 정확하게 분석할 수 있는 입자형 센서를 개발했다.

 

□ 기존 검출법은 반복적인 세정과정과 여러 종의 시약, 많은 데이터가 사용되기 때문에 검출 시간이 30분 이상 소모되었고, 절차가 복잡했다.

 

□ 이번에 개발된 자성·형광 입자형 센서는 물방울의 10분의 1 정도의 소량이나 묽은 시료로 분석이 가능하고, 센서를 시료에 넣고 흔든 후 마이크로 자석에 접촉하는 것으로 총 2~3분 내에 정확한 표적물질 검출이 가능하였다.

 

□ 이번 연구는 미래창조과학부(나노·소재원천기술개발사업)와 KIST(기관고유사업)의 연구개발사업으로 수행되었고, 그 결과는 영국 왕립화학회가 출판하는 세계적 국제학술지인 ‘Journal of Materials Chemistry B’ 의 제2권 14호 표지(front cover)논문으로 선정되었다. (2014.4.14. 출판예정)

 

* 논문명 : Highly Photoluminescent Superparamagnetic Silica Composites for on-Site Biosensor

 

□ 본 연구에서는 종전에 여러 단계를 거치던 분석법을 표적물질에 직접 반응하도록 혁신적으로 개선했는데, 이것은 형광 효율을 높이고 자성을 띠도록 설계한 복합입자의 표면에 센서 작용을 구현함으로써 완성되었다.

 

o 기존에 자성나노입자와 형광나노입자를 결합한 자성·형광 복합입자 개발의 문제점은 자성입자가 빛을 흡수하는 성질 때문에 형광 특성이 약해져서 센서로 사용하기에 부족했다.

 

o 본 연구에서는 아교 역할을 하는 실리카 마이크로입자 가운데에 자성입자 뭉치를 넣고, 형광나노입자를 그 바깥 표면에 한 층을 입히는 방식을 취했다. 이렇게 되면 자성 물질이 흡수하는 빛의 양이 최소화 된다. 본 연구는 형광물질을 제어해 자성 물질 바깥 표면에 형광 물질을 입히는 원천 기술을 개발한 것이다.

 

□ KIST 연구팀은 “이번 연구 성과는 감염성 질환 유행이나 독성 물질 누출 등의 급박한 사고 현장에서 원인을 파악하고 대처하는 데 쓰임으로써 삶의 질 향상의 토대를 마련했다”고 평가했다.

감염성 질환의 유행이나 독성물질이 갑자기 누출되는 등의 비상시에는 현장에서 초기대처를 효과적으로 수행하기 위하여 위험물의 정체와 양을 파악해야 한다. 최근에 자주 등장하는 신종인플루엔자, SARS, 조류 독감, 돼지 독감 혹은 대규모 급식에서 위험요인인 식중독 등이 모두 현장에서 원인 물질을 빠르게 파악하여 피해의 규모를 최소화 할 수 있는 사건이다. 따라서, 나노소재기술을 이용하여 표적물질에 대한 센서의 성능을 개선하려는 연구가 진행되어 왔다. 현재까지 병원이나 연구실에서 시행되는 기존 검출법에서는 2~3차례의 세정과정에 여러 종의 시약을 순차적으로 사용하게 된다. 근래에는 자동화기기에 자성입자를 적용하여 안정적인 대용량의 분석결과를 제공하고 있다. 하지만 급박하고 다양한 현장 상황에 적용하기에는 여전히 오래 걸리고(30분 이상) 단계가 복잡하여 어려움이 많다.

 

마이크론 크기의 입자들은 나노 크기의 입자들에 비해 응집현상이 훨씬 적어서 센서로서 안정적인 신호를 확보할 수 있고, 자성을 더하면 신호를 응집하여 감도가 높아지고 검출속도도 향상된다. 여러 단계를 거치는 분석법을 단백질에 직접 반응하도록 개선하고, 이를 자성과 형광신호를 내는 복합체입자 표면에 구현하여 분석법의 번거로운 단계와 소요시간을 최소화하여 센서의 적용한계를 극복하고자 하였다.

 

자성 핵을 감싸고 있는 실리카 입자에 형광 나노입자를 고르게 배열한 복합입자는 그 지름이 0.6 마이크론 정도이다. 복합입자를 보호하는 얇은 막은 그 두께가 조금만 두꺼워져도 형광신호를 끄고 켜기가 어려워지는데 본 연구에서는 5 nm 정도의 두께로 제작하여 형광을 효율적으로 제어하였다. 형광나노입자를 천여 개 담고 있는 이 복합입자는 그 형광이 매우 강해서 각 입자를 현미경으로 쉽게 구분할 수 있을 정도이다.

 

형광을 꺼뜨리는 분자가 수식된 핵산 유도체는 표적단백질과 선택적으로 강하게 결합하는 긴 고리의 핵산인 수용체에 상보적인 염기서열로 이루어져 평상시에는 수용체에 짝짓게 된다. 수용체를 위의 형광자성입자 표면에 단단히 결합하면 핵산 유도체가 결합하면서 형광을 ‘꺼짐’ 상태로 유지한다. 이 때 형광을 잘 꺼뜨릴수록 나중에 나타날 신호를 더 민감하게 확인할 수 있는데(깜깜한 밤하늘에서 별이 더 잘 보이는 것처럼) 본 연구에서는 90% 이상의 형광을 끌 수 있었다.

 

이 방법의 우수성을 확인해보기 위하여 형광나노입자 만을 가지고 핵산유도체를 직접 적용하여 그 성능을 비교해보았는데, 형광을 꺼뜨리는 정도나 표적단백질의 분석 가능한 최저농도에서나 형광나노입자를 배열한 마이크론 입자의 경우가 훨씬 뛰어난 것으로 나타났다. 뿐만 아니라 형광나노입자는 수용액에서 며칠사이 형광이 상당히 약해지고 뭉쳐지는 반면, 마이크론 크기의 입자형 센서는 1달 이상 보관하여도 검출성능을 유지하였다.

 

자성형광복합입자형 센서는 매우 적은 양의 시료를 써서 분석이 가능하고 (5 μL 이하) 시료에 넣은 다음 손으로 흔들어주는 정도로 2~3분내에 정량적인 정보를 확인할 수 있을 만큼 빠르게 반응하였다. 본 논문에 이용된 표적단백질인 트롬빈에 대해서 nM 이하의 미량까지 정량화할 수 있음을 확인하였다.

 

정밀하게 구조를 제어한 자성형광복합입자를 이용하여, 시료에 입자를 섞는 것만으로 수 분 내에 표적물질을 정확히 분석하는 방식은 향후 환경이나 의료, 혹은 생산시설 모니터링 등의 다양한 현장 상황에 적용되어 삶의 질 향상에 기여할 수 있다.

 

연 구 결 과 문 답 

 

이번 성과 뭐가 다른가		기존 자성형광복합입자는 실시간 센서로 쓰기에는 자성과 형광이 모두 약하다는 문제가 있었습니다. 이번 성과는 자성나노입자와 형광나노입자 모두 복합구조 내에서 재료가 구현하는 최고의 성능을 내도록 설계함으로써, 검출 속도와 성능의 한계를 극복했습니다.
어디에 쓸 수 있나		감염성 질환 유행이나 독성 물질 누출 등의 급박한 사고 현장에서 원인을 파악하고 대처하는 데 쓰일 수 있습니다. 현재 국내 및 국제 원천특허를 확보한 상태이며 장기보존 및 기술이전을 위한 후속연구가 필요합니다.
연구를 시작한 계기는		소재전문가와 센서전문가가 점심을 먹다가 자성과 형광이 모두 우수한 하나의 입자가 있다면 사회의 많은 문제를 해결할 수 있겠다는 꿈을 이야기 했고, 소재전문가가 오랜 연구경험의 노하우를 동원해 자성형광입자를 개발하였으며 센서전문가가 그 입자 위에 센서를 구현하게 되었습니다.
신진연구자를 위한 한마디		노력하는 자가 즐기는 자를 이기지 못한다고 합니다. 연구는 노력을 넘어 즐기는 수준에 머물어야만 미지의 현상과 물질이 보이는 것이라 생각합니다. 즐기는 수준에 머물 수 있는 것, 그 자체가 이미 훌륭한 보상이지요.

 

○ 영국 왕립화학회 (Royal Society of Chemistry)에서 출판하는 생물 및 의약과 관련이 있는 재료화학 분야 국제학술지(피인용지수: 6.101, 2012년 Journal of Materials Chemistry 기준, 2012년까지 Journal of Materials Chemistry라는 명칭으로 재료화학 분야 국제학술지로 출판하다가 논문의 선호도와 투고 건수가 급격히 증가함에 따라 2013년부터 에너지와 지속가능 재료는 A, 생물과 의약 관련 재료는 B, 광전소자용 재료는 C로 세분하였음.

 

 

 

그림 1. 논문 2권 14호의 표지: 중앙에 자성형광복합입자의 3차원 구조를 자세히 나타내고 있으며, 단백질이 수용체와 결합하면서 핵산유도체를 벗겨내고 이 때 입자표면의 형광신호가 다시 켜지는 모습. 마이크론 크기의 각 입자가 독립된 센서로서 역할을 할 수 있음.

 

 

그림 2. 자성형광입자의 합성 과정과 입자형 센서의 작동원리를 보여주는 모식도: (A)는 자성나노입자들로 이루어진 자성 코어를 갖는 실리카 마이크론 입자 표면에 형광나노입자들을 배열하고 얇은 실리카 막을 코팅하여 입자를 완성하는 과정 (B)는 A입자 표면에 수용체를 결합한 후에 핵산유도체를 결합하여 형광을 ‘꺼짐’ 상태로 유지하다가, 단백질이 핵산유도체를 쫒아내면서 형광신호가 나타나는 모습.

 

그림 3. 자성형광입자의 생성과정을 보여주는 전자현미경 이미지(좌)와 완성된 복합입자센서의 형광신호를 보여주는 형광이미지(우). 흔들어주면 3 분 내로 검출되지만 우측 그림은 정치된 상태에서 진행되었기 때문에 10분 정도 걸림.