바이오센서, 전염병 확산 방지와 질병 진단을 동시에!
빛을 이용해 극소량의 단백질을 빠르고 정확하게 검출하는 바이오센서 기술이 개발됐다. 코로나바이러스 같은 전염병 확산을 막는 중요한 수단인 단백질 검출 효율을 크게 높일 수 있을 것으로 기대된다.
UNIST(총장 박종래) 전기전자공학과 이종원 교수와 한국기계연구원(원장 류석현) 나노리소그래피 연구센터 정주연 박사 공동연구팀은 단백질 검출 민감도를 획기적으로 높인 새로운 바이오센서를 개발했다. 빛에 매우 민감하게 반응하는 메타물질 흡수체를 사용해 복잡한 생물학적 구조에서도 단백질 농도를 정확하게 측정할 수 있다.
새로운 센서는 기존의 복잡하고 비싼 방식과 달리 바이오 마커를 부착하지 않고도 단백질을 빠르고 정확하게 검출했다. 효소를 이용해 색 변화를 보는 기존의 효소면역측정법(ELISA)보다 시간과 비용을 크게 절약할 수 있다.
연구팀은 단백질 검출 민감도를 높이기 위해 중적외선 빛에 매우 민감하게 반응하도록 만든 메타물질 흡수체를 사용했다. 메타물질은 대량 생산이 쉬워 코로나 백신과 같은 전염병 예방뿐만 아니라 다양한 질병 진단에도 유용할 것으로 전망된다.
단일 압타머(Aptamer)를 사용해 트롬빈(Thrombin)의 검출 한계(267.4 pM)에서도 극소량의 단백질을 정확하게 찾아냈다. 압타머는 특정 단백질과 상호작용하는 물질로, 항체를 대체할 유망한 후보로 주목받고 있다. 트롬빈은 혈액을 응고시키는 단백질이다.
트롬빈 결합 압타머를 활용한 면역 분석은 임상 환경에서 최소한의 시간으로 바이오 물질을 검출할 잠재력을 보였다. 이는 기존의 비용이 많이 드는 질병 진단 과정을 대체해 효율적이고 경제적인 새로운 진단 도구로서의 가능성을 확인한 것이다.
이종원 교수는 “강한 결합 효과를 이용한 표면 강화 적외선 흡수 분광법으로 극소량의 단백질을 검출할 수 있다”며, “의료 진단과 치료 과정에서 저렴하고 신속한 검출이 가능하므로 보다 쉽게 건강을 관리할 수 있을 것”이라고 밝혔다.
정주연 박사는 “나노 임프린트 리소그래피 기술을 활용하여 제작한 적외선 메타물질 흡수체 기반의 바이오 센서로 질병을 조기에 발견해 전염병 확산을 막는데 크게 기여할 것”이라고 전했다.
연구 결과는 세계적 학술지인 Biosensors and Bioelectronics에 5월 27일 온라인 게재됐으며, 과학기술정보통신부와 한국기계연구원, 산업통상자원부의 지원을 받아 수행됐다.
연구 결과 개요
1. 연구배경
단백질 검출은 병 진단, 임상에서의 건강관리 및 생명 현상의 원인 규명에서 필요한 기술이다. 최근 코로나 바이러스와 같은 범지구적인 전염병들이 창궐함에 따라 단백질의 검출은 전염병의 확산을 막을 수 있는 중요 수단으로 인식되고 있다. 전통적인 면역 분석법은 고비용, 복잡한 단계, 숙련된 인력의 필요성 등의 한계가 있다. 이러한 한계를 극복하고 극소량의 바이오 물질을 검출하기 위해 메타물질 흡수체를 이용한 바이오센서를 개발하게 되었다. 또한 본 연구에서는 바이오 물질의 검출을 돕기 위하여 항원-항체 반응을 일으키는 압타머를 사용하였다. 메타 물질 흡수체와 압타머를 이용하여 강한 결합 효과를 극대화하는 바이오센서를 개발하였다.
2. 연구내용
중적외선 무 표지 면역분석 기반 바이오센서의 생체분자 식별 및 정량 측정에 효율성을 극대화 하기 위해 연구를 진행하였다. 이 바이오센서는 표면 강화 적외선 흡수 분광법(surface-enhanced infrared absorption spectroscopy, SEIRA spectroscopy)을 사용하며, 이는 극소량의 분석 물질을 검출하는데 매우 강력한 검출 기법이다. 최대의 결합 효과를 위해서 플라즈모닉 공명과 분석 물질의 진동 모드 간의 근거리 장의 세기를 크게 하고 공간 및 스펙트럼 겹침을 향상시키는 것이 필요하다. 기존에 자주 사용되는 기저선 보정 방법을 이용한 표면 강화 적외선 흡수 분광법에서는 강한 결합 시스템에서 유발되는 검출 효과를 적절히 분석할 수 없었다. 따라서 강한 결합 효과로 인한 피크 분열을 분석하기 위해 조화 진동 모델 (coupled harmonic oscillation model)을 사용했다. 제작된 바이오센서는 트롬빈(thrombin) 결합 압타머(aptamer) 기반 면역 분석법을 통해 267.4 pM의 검출 한계를 달성할 수 있었으며, 이는 미세 바이오 분자 측정에서보다 효율적인 단백질 검출을 위한 길을 열 수 있다.
3. 기대효과
표면 강화 적외선 흡수 분광법을 이용하게 되면, 무 표지 면역 분석이 가능해진다. 이에 따라 바이오 물질의 측정하는 데 필요한 비용 및 시간을 절약할 수 있으며, 빛을 이용한 측정이기 때문에 빠르고 극소량의 바이오 물질을 검출할 수 있다. 메타물질 흡수체를 나노 임프린트 리소그래피 기술을 통하여 제작하여 대량생산에 쉬워 작고, 극소량의 바이오 물질을 획기적으로 쉽고 빠르게 검출할 수 있다.
그림1. (a) 무 표지 면역분석 기반 바이오센서의 모식도.
트롬빈을 측정하기 위하여 메타물질 흡수체 표면에 압타머를 고정한 그림. 제작된 바이오센서의 모습을 주사전자현미경으로 찍은 표면 (b), 단면 (c) 모습. (d) 단백질 이중 층을 측정하기 위하여 메타물질 흡수체 표면에 단백질 이중 층이 배양된 그림. [사진=UNIST]
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BRIC(ibric.org) Bio통신원(UNIST) 등록일2024.07.11