공기 중 바이러스, 현장에서 일회용 키트로 바로 검출!
- 공기 중 바이러스 포집 및 검출 일체형 진단 플랫폼 개발
- 일회용 포집·진단 키트를 이용한 부유 바이러스의 빠르고 선택적인 탐지
국내 연구진이 공기 중의 특정 바이러스를 현장에서 바로 검출할 수 있는 기술을 개발했다. 한국과학기술연구원(KIST)은 분자인식연구센터 이준석 박사팀이 광주과학기술원(GIST) 화학과 김민곤 교수팀, 건국대학교 수의학과 송창선 교수팀과의 공동연구를 통해 공기 중의 바이러스를 현장에서 포집하고 동시에 검출할 수 있는 진단 플랫폼을 개발했다고 밝혔다.
현재 공기 중에 퍼져있는 각종 세균, 곰팡이, 바이러스와 같은 생물학적 위해물질을 검사하기 위해서는 검사할 장소의 공기를 포집하고 포집한 공기를 실험실에 가져온 후 적게는 수 시간에서 길게는 수일이 소요되는 별도의 분석 공정이 필요하다. 실험실로 옮기지 않고 현장에서 바로 검사할 수 있는 기존 기술은 세균 또는 곰팡이의 농도를 모니터링할 수는 있었으나, 특정 미생물의 유무나 입자 크기가 작은 바이러스를 구별하는 데는 한계가 있었다.
KIST-GIST 공동연구진은 공기 중의 바이러스를 현장에서 일회용 키트를 활용하여 손쉽게 포집하고 동시에 검출할 수 있는 일체형 진단 플랫폼을 개발했다. 연구진이 개발한 일회용 바이러스 포집·진단 키트는 임신 진단 키트와 유사한 형태로 별도의 세척이나 분리 없이 하나의 키트 내에서 10분~30분간의 포집 후 20분의 분석을 통해 현장에서 최대 50분 안에 포집, 분석의 모든 과정을 완료하여 손쉽게 부유 바이러스의 존재를 확인할 수 있다.
개발한 진단 플랫폼은 공기 채집기를 통해 부유 바이러스를 유리 섬유로 이루어진 필터인 다공성 패드에 수집, 농축하고 모세관 현상을 이용하여 검출 영역으로 이동시킨다. 이동한 바이러스는 특정 바이러스에만 반응하는 항체가 부착된 적외선 발광 나노입자와 결합되어 여러 바이러스가 공존하고 있는 환경에서도 원하는 바이러스를 선택적으로 검출할 수 있다. 또한, 이러한 진단 키트를 동시에 4개 이상 삽입할 수 있는 형태로 제작하여 동시에 여러 종류의 바이러스를 검출할 수도 있다.
부유 바이러스는 실내 공간의 크기, 공조 시스템의 유무, 온도 및 습도 등의 외부 요인에 영향을 받기 때문에 공동연구진은 개발한 플랫폼을 검증하기 위해 외부 요인들을 조절할 수 있는 인공 부유 바이러스 조성 시스템을 구축하여 일정한 조건에서 실험을 진행했다. 넓은 공간에 확산되어 있는 인플루엔자 바이러스를 포집하여 다공성 패드 내에서 약 100만 배 이상의 농도로 농축하였으며, 패드 표면에 부착된 바이러스들을 표면 전처리 및 분석용액 최적화를 통해 약 82% 수준의 효율로 회수하여 검출 영역으로 이동시켜 분석할 수 있었다.
KIST 이준석 박사는 “현장에서 포집하고 바로 분석이 가능한 플랫폼으로 코로나19 바이러스와 같은 공기중에 부유 중인 생물학적 위해 인자를 현장 진단하여 실내 공기 오염 모니터링 시스템으로 응용할 수 있다.”라고 밝혔다.
본 연구는 삼성미래기술육성사업 지원으로 수행되었으며, 이번 연구 결과는 ‘ACS Sensors’ (IF: 7.333, JCR 분야 상위 2.907%) 최신 호에 게재되었으며, 표지논문으로 선정되어 출판될 예정이다.
* (논문명) An Integrated Bioaerosol Sampling/Monitoring Platform: Field-deployable and Rapid Detection of Airborne Viruses(pubs.acs.org/doi/10.1021/acssensors.0c01531)
- (제 1저자) 한국과학기술연구원 이인애 박사후연구원
- (제 1저자) 광주과학기술원 석영웅 박사후연구원
- (교신저자) 광주과학기술원 김민곤 교수
- (교신저자) 한국과학기술연구원 이준석 선임연구원
연구결과 개요
최근 실내 활동 거주 시간이 늘어남에 따라, 미세 먼지, 화학적 및 생물학적 위해 물질로부터의 실내 공기 질 관리에 대한 국민의 관심 증가하고 있다. 공기 중에 퍼져있는 생물체와 관련한 입자 및 액체상의 물질을 바이오 에어로졸(Bioaerosols)이라 하는데 동물이나 사람에게 전염되어 각종 호흡기 관련 질병을 일으키는 병원체도 포함되어 있다. 바이오 에어로졸은 공기를 타고 광범위하게 확산되는 특성상 경로 파악 및 통제가 어렵기 때문에 빠르고 정확하게 공기 질을 확인하는 시스템은 잠재적 위해 물질이 포함된 에어로졸의 확산을 예방하고 제어하는 데 도움이 될 수 있다. 현재의 공기 중 부유 미생물 측정법은 세포 배양용 배지가 장착된 채취기를 이용하여 배지에 충돌된 미생물의 농도를 측정하는 방식으로 이는 시료 포집에서 결과 분석까지 수 시간에서 수일 정도 소요되어 실시간 바이오 에어로졸의 상태를 확인하기 어려웠다. 또한 배양 가능한 미생물 (세균, 곰팡이) 검사에 한정되어 있기 때문에 바이러스를 분석하기 위해서는 고가의 장비나 기술을 필요로 하는 면역 진단법 또는 분자 진단법이 필요했다.
연구진은 공기 중의 바이러스를 현장에서 포집과 검출을 동시에 할 수 있는 일체형 진단 플랫폼을 개발하였다. 바이오 에어로졸은 실내 공간의 크기, 공조 시스템의 유무, 온도 및 습도 등 외부 요인에 영향을 받기 때문에 외부 환경이 차단되는 약 0.85 x 0.55 x 0.90 m3 크기의 컨트롤 박스 내에서 온도, 습도, 바이오 에어로졸 유입 농도 등의 변수 조절 가능한 인공 에어로졸 조성 시스템을 구축하였다. 시스템 내에서 포집·검출 일체형 진단 플랫폼을 이용하여 공기 중 특정 바이러스 (MS2 바이러스 및 조류 인플루엔자 바이러스)를 포집하고 검사하였다. 임신 진단 키트와 유사한 형태의 일회용 바이러스 포집·진단 키트는 공기 중 바이러스 입자를 수집하기 위하여 포집 영역엔 다공성 패드를 장착하였으며, 특정 바이러스를 선택적으로 감지할 수 있는 적외선 나노입자가 포함되어 있다. 채취기를 통해 흡입된 공기는 다공성 패드를 통과하고 바이러스 입자는 패드 표면에 수집된다. 포집된 바이러스는 분석용액을 통해 패드 표면에서 떨어져 나와 검출 영역의 멤브레인으로 흘러가고 그 과정에서 항원-항체 면역반응에 의해 나노입자와 선택적으로 결합한다. 형성된 나노입자 복합체를 휴대용 적외선 신호 분석기로 확인하여 특정 바이러스의 유무를 확인할 수 있다. 본 연구에서 사용한 적외선 나노입자는 근적외선을 흡수하고 발광하는 특성이 있으며 투과도가 높고 자가 형광 배경 신호 영향을 받지 않아 최소한의 시료 전처리로 높은 민감도의 검출 성능을 보여주는 것으로 연구된 바 있다. (Biosensors and Bioelectronics, 112, 209, (2018)) 본 연구에서는 MS2 바이러스 검출용 항체와 조류 인플루엔자 바이러스 검출용 항체가 각각 결합된 나노입자를 만들고 이들이 포함된 독립적인 진단 키트로 부유 MS2 바이러스 및 조류 인플루엔자 바이러스 포집 및 검출 성능을 확인하였다. 공기 채집 장치에는 이러한 진단 키트가 4개 이상 삽입될 수 있는 형태로서 동시에 다중의 바이러스 검출도 가능한 플랫폼이다.
테스트 시스템에 조성된 MS2 바이러스 부유 환경 내에서, 포집·검출 일체형 진단 플랫폼으로 부유 바이러스를 약 100만 배 이상 농축할 수 있었다. 다공성 패드의 전 처리를 통해 포집된 바이러스의 82% 이상을 검출 영역 멤브레인으로 이동할 수 있게 회수할 수 있었다. 포집 후 일회용 포집·진단 키트 내에선 20분 내 특정 바이러스의 유무를 확인할 수 있다. 조류 인플루엔자 바이러스와 같은 실제 전염병 바이러스가 공기 중에 떠 있는 환경을 구현하여 임상 시료에 대한 플랫폼의 성능을 검증하였으며, 유사한 호흡기 바이러스가 같이 공존할 때 조류 인플루엔자 바이러스를 선택적으로 검출할 수 있음을 확인하였다.
구축한 실내 환경 조성 테스트 시스템은 미세 먼지와 함께 다양한 바이오 에어로졸 기초 연구에 활용할 수 있으며, 포집·검출 일체형 진단 플랫폼은 야외 현장 및 다양한 임상 시료 테스트를 통한 성능 검증 후 현장에서 공기 매개 미생물을 조기 진단하여 확산을 막기 위한 모니터링 시스템으로 활용할 수 있을 것으로 기대한다.
연구결과 문답
□ 연구를 시작한 계기나 배경은?
미세 먼지의 심각성과 대기 내 생물학적 위해인자의 위험성에 대한 우려가 급증하면서 실내 공기 질에 대한 관심이 증가하고 있다. 특히 에어로졸 내 미세 병원체는 공기를 타고 광범위하게 확산되어 사람이나 동물 호흡에 의해 전염되어 각종 호흡기 질환을 초래하기 때문에 신속한 진단을 통한 조기 통제가 필요하다. 현재의 실내 부유 미생물 검사법은 수 시간-수 일이 소요되며, 입자 분석 및 ATP 생물 발광 분석을 기반으로 한 실시간 생물학적 위험도 모니터링 시스템은 특정 미생물에 대한 선택적 탐지가 어렵다.
□ 이번 성과, 무엇이 다른가?
본 연구에서는 현장에서 바이오 에어로졸을 포집하고 동시에 검출을 할 수 있는 일체형 진단 플랫폼을 개발하였다. 주변 환경의 변수에 따라 크기와 특성이 달라지는 에어로졸의 특성을 고려하기 위해 다양한 환경(온도, 습도, 에어로졸의 농도 등)을 구현할 수 있는 인공 에어로졸 조성 시스템을 구축하였다. 일체형 플랫폼에는 일회용의 바이러스 포집·진단 키트가 포함되어 있는데, 임신 진단 키트처럼 액상의 시료 분석에 사용되는 신속 진단 키트를 변형한 것으로 다공성의 포집 패드를 사용해 에어로졸 채집 및 분석을 할 수 있도록 하였다.
배경 신호가 적은 적외선 나노입자에 특정 바이러스에 대해 선택성을 가지는 항체를 결합하여, 유사 호흡기 바이러스가 섞인 에어로졸 내에서 조류 인플루엔자 바이러스를 선택적으로 민감하게 검출할 수 있었다.
□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나?
구축한 실내 환경 조성 테스트 시스템은 미세 먼지와 함께 다양한 바이오 에어로졸 기초 연구에 활용할 수 있으며, 포집·검출 일체형 진단 플랫폼은 야외 현장 및 다양한 임상 시료 테스트를 통한 성능 검증 후 현장에서 공기 매개 미생물을 조기 진단하여 확산을 막기 위한 모니터링 시스템으로 활용할 수 있다.
□ 기대효과와 실용화를 위한 과제는?
미세 먼지, 화학물질, 미생물 등의 혼합되어 있는 실내 에어로졸 환경 조성 시스템으로 규모 확장이 필요하며, 바이러스뿐만 아니라 세균이나 곰팡이 포자와 같은 크기가 큰 바이오 에어로졸 포집 및 검사를 위한 현장용 일체형 진단 플랫폼으로 확장하기 위한 연구가 필요하다.
생명과학 KIST (2020-11-12)
https://www.ibric.org/myboard/read.php?Board=news&id=324053 )