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“17분 내에 현장서 코로나19 진단”…초고속 PCR 개발

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입력 :ㅣ 수정 : 2020-12-03 20:14 사회 섹션 목록 확대 축소 인쇄
나노 PCR 장치  IBS 제공

▲ 나노 PCR 장치
IBS 제공

“진단장비 작고 가벼워 휴대 용이
…정확도 기존 PCR과 같은 수준”
장비 상업·상용화엔 추가 연구 필요


국내 연구진이 코로나19 감염 여부를 현장에서 단 17분 안에 정확하게 진단할 수 있는 초고속 ‘나노PCR’(nanoPCR) 장비를 개발했다.

기초과학연구원(IBS) 나노의학연구단(단장 천진우 연세대 교수)은 3일 천 단장과 이재현 연구위원(연세대 고등과학원 교수)팀이 하버드의대 이학호 교수팀과 함께 나노자성물질을 이용해 코로나19 바이러스를 17분 안에 정확히 검출하는 현장진단(POC) 기술을 개발했다고 밝혔다.

현재 국내에서는 코로나19 확진 검사에 정확도가 높은 실시간 ‘역전사 유전자 증폭’(RT-PCR) 방식을 채택하고 있다.

그러나 현행 RT-PCR 방식은 검체 채취에서 바이러스 검출 확인까지 4시간 이상 걸리는 게 현실이다. 이 때문에 신속 대응이 어렵고, 고가의 대형 장비를 갖춘 병원이나 연구소 등으로 바이러스 검체를 운송해 진단해야 하기 때문에 시간과 비용도 많이 든다.
나노PCR 기술을 이용한 코로나19 바이러스 진단 과정 환자 시료에서 추출된 코로나19 바이러스 RNA는 나노PCR을 통해 역전사 및 유전자증폭, 검출과정을 거쳐 최종 코로나19 감염 여부를 진단하게 된다. 빠른 유전자증폭 및 검출을 위해 마그네토-플라스모닉 나노입자(MPN)를 사용해 기존 RT-PCR의 온도변화 사이클을 고속으로 구현하고, 이후 자기장에 의해 MPN이 스스로 분리돼 증폭된 유전물질의 형광신호가 검출되게 했다.  IBS 제공

▲ 나노PCR 기술을 이용한 코로나19 바이러스 진단 과정
환자 시료에서 추출된 코로나19 바이러스 RNA는 나노PCR을 통해 역전사 및 유전자증폭, 검출과정을 거쳐 최종 코로나19 감염 여부를 진단하게 된다. 빠른 유전자증폭 및 검출을 위해 마그네토-플라스모닉 나노입자(MPN)를 사용해 기존 RT-PCR의 온도변화 사이클을 고속으로 구현하고, 이후 자기장에 의해 MPN이 스스로 분리돼 증폭된 유전물질의 형광신호가 검출되게 했다.
IBS 제공

연구진은 이런 한계를 극복하기 위해 플라스모닉 금속 물질과 자성을 띠는 물질을 결합해 30~40㎚(나노미터 :10억분의 1m) 크기의 ‘마그네토 플라스모닉 나노입자’(MPN)를 개발했다.

MPN은 빛 에너지를 빠르게 열에너지로 바꿔주는 나노입자다. 나노PCR 기계에 바이러스 검체 샘플과 MPN 등을 섞은 용액을 넣고 빛을 가하면 용액이 가열되면서 유전물질 증폭 과정이 시작된다.

처음 6분가량 샘플에 빛을 가하면 온도가 섭씨 42도까지 올라가는데, 이 과정에서 RNA과 DNA로 변화하는 역전사 반응(RT)이 일어난다.

이후 초고속으로 섭씨 60~90도 사이 온도를 올렸다 내리는 작업을 진행해 유전자를 증폭시킨다.

기존 RT-PCR에서는 이 과정에 2시간 이상이 걸리지만 나노PCR에서는 5분 이내에 가능하다는 것이 연구팀의 설명이다.

천 단장은 “MPN 혼합 용액이 녹아있는 튜브가 플라스모닉 효과에 의해 균일하게 데워진다”며 “일반 PCR은 온도가 올라갔다 내려가는 사이클 1회에 2∼3분이 걸려 유전자 증폭에 총 2시간가량 걸리지만 나노 PCR에서는 사이클 40회를 진행하는 데 5분가량 걸린다”고 말했다.

증폭이 끝나면 기계 내에 있는 자석을 활용해 샘플에 자기장을 건다. 이때 검은색의 MPN 입자는 자기장에 끌려 아래로 가라앉고 바이러스의 유전물질은 초록색을 띠는 형광을 내며 위로 떠 오른다. 형광을 띠면 검체 속에 코로나19 바이러스가 있다는 뜻이다.

연구진은 MPN이 자성을 띠고 있어 샘플 내 유전 물질과 나노입자를 자동으로 분리하기 때문에 소량의 DNA로도 정확하게 코로나19 바이러스를 검출할 수 있다고 설명했다.

연구진이 나노PCR을 이용해 코로나19 확진자 75명과 대조군 75명 검체를 검사한 결과, 정확도는 99% 이상, 민감도는 3.2 copies/㎕로 기존 RT-PCR 방식과 비슷한 것으로 나타났다.

나노 PCR은 장치 크기(15×15×18.5㎝)가 작고 무게가 3㎏으로 가볍다. 휴대가 용이해 실험실이나 연구소뿐만 아니라 어디서든 활용할 수 있다.
마그네토-플라스모닉 나노입자(MPN):PCR 가열과 분리 검출 동시에 가능 MPN은 금과 자석의 복합나노물질로 코어-셸 구조다. MPN은 특정 파장의 빛에 감응해 플라스모닉 효과로 빛을 열에너지로 전환시킨다. 또 자성을 이용해 반응이 끝난 후 분리 및 검출을 할 수 있다.  IBS 제공

▲ 마그네토-플라스모닉 나노입자(MPN):PCR 가열과 분리 검출 동시에 가능
MPN은 금과 자석의 복합나노물질로 코어-셸 구조다. MPN은 특정 파장의 빛에 감응해 플라스모닉 효과로 빛을 열에너지로 전환시킨다. 또 자성을 이용해 반응이 끝난 후 분리 및 검출을 할 수 있다.
IBS 제공

다만 이제 막 개발된 단계이기에 아직 현장 사용은 어려운 상태다. 장비를 상업화하거나 상용화하려면 추가 연구 개발이 필요하다는 것이다.

천 단장은 “PCR 구동 방법을 개량하고 소형화해 코로나19를 현장에서 손쉽고 신속하게 진단하는 PCR 기술을 개발했다”며 “코로나19뿐 아니라 향후 다양한 바이러스 전염성 질병 진단에 유용한 플랫폼으로 활용될 것으로 기대한다”고 말했다.

이 연구 결과는 이날 국제학술지 ‘네이처 바이오메디컬 엔지니어링’(Nature Biomedical Engineering)에 게재됐다.

신진호 기자 sayho@seoul.co.kr
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