진단 현장에서도 고감도 유지하는 바이오센서 개발
국내 연구진이 현장에서 실시간으로 병원성 감염체 검출이 가능한 나노 바이오센서를 개발하였다.
한국생명공학연구원 감염병연구센터 권오석 박사 연구팀은 진단 현장에서도 고감도를 유지하며, 실시간으로 박테리아 검출이 가능한 그래핀 기반의 나노 바이오센서 개발에 성공하였다고 밝혔다.
이를 통해 향후 다양한 감염병 현장 검사에서 이용 가능한 바이오센서 플랫폼으로 활용될 수 있을 것으로 기대되고 있다.
의료의 패러다임이 ‘치료’에서 ‘예방 및 진단’으로 바뀌면서 분석 대상 물질을 보다 간편하고 신속·정밀하게 측정할 수 있는 바이오센서 분야에 대한 꾸준히 증가하고 있다.
바이오센서란 효소, 항체, 항원, 수용체, DNA 등 다양한 생물학적 수용체를 이용하여 분자 수준에서 물질을 검출하고, 이를 해석 가능한 신호로 바꿔주는 장치를 말한다.
센서 기반이 되는 다양한 소재 중 그래핀(Graphene)은 다른 소재에 비해 전기적, 물리적, 광학적 측면에서 우수하여, 이를 이용한 많은 연구가 진행되고 있다.
다만, 기존 그래핀 기반 바이오센서의 경우 수용체와 그래핀을 연결해주는 인터페이싱 화합물의 물리적 적층 방식에 따른 한계로 노이즈 신호, 실제 진단환경에서의 안정성 저하 등의 문제를 보여 감염병 진단에서의 활용에는 제한이 있었다.
최근 혈액, 땀, 소변 등 임상 샘플에서 발생하는 노이즈 신호를 감소시키거나 수용체의 수용량을 늘리는 등의 다양한 연구들이 시도되고 있으나 여전히 한계 극복이 어려워 상용화된 사례가 없다.
이에 연구팀은 그래핀 소재와의 결합도와 전자 이동도를 높이고, 수용체의 수용량도 향상시켜 더 민감하고 더 많은 양의 박테리아를 실시간으로 모니터링이 가능한 나노 바이오센서를 개발하였다.
연구팀이 개발한 센서는 세계 최초로 합성에 성공한 OPE(Oligo (Phenylene -Ethynylene, 올리고페닐렌에틸렌)를 그래핀과 결합시켜 단일층 구조로 제작함으로써 간섭으로 인한 성능 저하를 방지하였고,
OPE 화합물의 구조를 변경하면 센서 표면 특성을 바꿀 수 있어 다양한 임상 샘플에 적용할 수 있다.
연구팀은 개발한 센서로 혈액 샘플을 이용해 실시간으로 대장균을 검출하는 데 성공했으며, 센서 수용체만 바꿔주면 다른 박테리아를 비롯한 다양한 감염병 병원체 검출도 가능하여 현장 활용 기술로서 적용 가능성을 높였다.
연구책임자인 권오석 박사는 “그래핀과 단층 구조로 결합하여 안정성을 대폭 향상시켜 극한의 환경에서도 내구성을 확보한 나노 바이오센서를 개발하였다”라며
“새롭게 개발한 OPE 화합물은 길이 조절이 가능하고 합성 단계가 짧아 양산화 가능성이 높고, Bio-MEMS에 적합하여 다양한 그래핀 기반 나노바이오 센서에 적용할 수 있을 것으로 기대된다”라고 밝혔다.
이번 연구는 화학 분야의 세계적인 저널인 Angewandte Chemie International Edition(IF 16.823) 10월호에 게재되었으며, (논문명 : Open-Bandgap Graphene-Based Field-Effect Transistor Using Oligo (phenylene-ethynylene) Interfacial Chemistry(wiley.com) / 교신저자 : 권오석 박사 / 제1저자 : 김경호・서성은 박사과정생)
농림부 스마트팜 다부처패키지 혁신기술개발사업, 과기정통부 나노 및 소재 기술개발사업, 국가과학기술연구회 창의형융합연구사업, 환경부 환경기술개발사업, 생명연 주요사업의 지원으로 수행되었다.
연 구 결 과 개 요
□ 연구배경
○ 인터페이싱 화합물을 그래핀 기반 나노 바이오센서에서 필연적인 화합물임.
○ 파이-파이(π-π) 물리적 적층하는 인터페이싱 화합물을 그래핀과의 결합 에너지가 낮으며, 외부에너지에 대한 취약하고, 결합밀도가 낮은 한계점이 있다.
○ 임상 샘플 적용시 다양한 물질들로 인해 간섭현상으로 인한 민감도, 선택도 및 특이도가 저해되기 때문에 임상 시료에 적용가능한 인터페이싱 화합물이 요구되었다.
□ 연구내용
○ 본 연구팀은 기존에 향균 펩타이드(수용체)가 결합된 그래핀 전자소자로 다양한 박테리아들을 실시간으로 검출 가능한 나노바이오 센서를 개발함.
○ High-performance portable graphene field-effect transistor device for detecting Gram-positive and –negative bacteria(Biosensors and Bioelectronics, 2020.8)에서 개발된 나노 바이오센서보다 그래핀과의 더 강한 결합, 높은 전자 이동도 및 향상된 수용체 부착량으로 더 민감하고 많은 양의 박테리아를 실시간 모니터링이 가능함.
○ 기능화된 말단은 다양한 수용체를 결합시킬 수 있으므로, 다양한 나노 바이오센서 플랫폼 개발에 용이한 OPE(올리고페닐렌에틸렌) 인터페이싱 화합물을 개발함.
○ 그래핀과 결합하여 단일층을 형성하므로, 간섭물질에 대한 성능 저하를 방지할 수 있음.
○ OPE 화합물 중간 구조를 변형함으로써, 나노 바이오센서 표면 특성을 변형하여 다양한 임상 샘플에 적용 및 성능향상 시킬 수 있음.
□ 연구성과의 의미
○ 대면적 그래핀 공유결합 형성용 OPE(올리고페닐렌에틸렌) 인터페이싱 화합물 및 박테리아 실시간 검출/모니터링 나노 바이오센서 개발
- 본 연구의 OPE(올리고페닐렌에틸렌) 인터페이싱 화합물은 대면적 그래핀 상에 공유결합으로 도입되므로 결합 에너지가 타 인터페이싱 화합물 대비 강하여, Bio-MEMS 공정 간 도입 가능한 화합물이다. 또한, 그래핀과의 결합밀도가 높아 수용체 부착량을 높여 그람 음성 박테리아 균을 선택적으로 실시간 검출/모니터링용 나노 바이오센서를 개발했다. OPE(올리고페닐렌에틸렌) 인터페이싱 화합물은 말단 기능기 교체 및 중간 구조체 변형이 용이하여, 다양한 나노 바이오센서 플랫폼 개발 적용이 가능하며, 임상 샘플 적용에 용이한 장점을 가지고 있다.
연 구 결 과 문 답
이번 성과 뭐가 다른가
그래핀 기반 바이오센서 플랫폼에서의 인터페이싱 화합물은 전자소자 공정 진행 후 pi 상호작용으로 결합을 진행하였지만, 본 연구를 통해 개발한 OPE 화합물은 결합에너지가 강하므로 대면적 그래핀에 공유결합 및 단일 층 형성 후 전자소자 공정이 가능한 장점이 있음.
어디에 쓸 수 있나
그래핀에 제한적이지 않고, 다양한 금속 물질과 공유결합이 가능하기 때문에 다방면 바이오센서에 적용이 가능함.
실용화까지 필요한 시간은
화합물의 대량 생산 및 전자기기 생산에 대한 체계화 계획이 수립되면 빠른 시일 내에 가능할 것으로 사료됨
실용화를 위한 과제는
실용화를 위해서는 화합물의 scale-up 공정 검증 조건을 찾고 수율 검증이 수행되어야 하므로, 생산 원활히 이루어질 수 있는 여건이 형성되어야 한다고 생각함
연구를 시작한 계기는
본 연구진은 지속적으로 반도체 기반의 바이오센서를 개발해왔음. 최근, COVID 19 임상샘플을 통한 질병진단용 바이오센서 개발에 있어, 인터페이싱 화합물의 역할이 증대되어, 성능을 향상시킬 수 있는 대체 화합물 개발하고자 시작되었습니다. 시뮬레이션을 통한 다양한 화합물 구조를 검증하여 효율성이 가장 높은 화합물을 합성하게 되어, 나노 바이오센서 개발할 수 있었습니다.
에피소드가 있다면
그래핀 기반 나노바이오센서를 위한 인터페이싱 화합물이 많이 개발되었고, 수용체와의 결합양을 고려하여, 화합물 구조를 디자인하여 시뮬레이션 검증까지 완료하는데 수개월의 시간이 걸렸습니다. 또한, 범용으로 사용할 수 있는 반도체 소자 개발과 응용을 통한 검증을 하는데 수 많은 시간을 보냈습니다. 이에, 다양한 분석과 검증을 통해 과학적 증명되고 인정받아 본 학술지에 게재할 수 있었습니다.
꼭 이루고 싶은 목표는
인터페이싱 화합물은 그래핀 기반 반도체 나노바이오 센서에서 필연적인 물질입니다. 화합물 도입을 통한 센서 성능 향상을 통해 다양한 질병진단에 활용할 수 있는 플랫폼 개발 및 팬데믹에 대체할 수 있는 고성능 센서를 개발하여, 현장 진단에 활용할 수 있는 센서를 개발하는 것입니다.
신진연구자를 위한 한마디
국민과 정부가 요구하는 실생활에 유용한 물질을 개발할 수 있다는 자부심을 갖고 연구했으면 합니다. 또한, 융복합 연구를 위한 다양한 교류를 통하여 새로운 응용 분야를 개발에 힘쓰기를 응원합니다.
그림 1. 박테리아 검출용 바이오나노 센서 개발
그래핀 소재에 OPE 인터페이싱 화합물을 결합하고 Bio-MEMS 공정을 진행하여 바이오나노 센서 개발
바이오센서에 외부인자를 받아들이는 수용체를 부착하여 박테리아 검출 시, 실시간으로 전자 신호가 증가함
그림 2. (a) 그래핀 기반 나노 바이오센서의 박테리아 검출 모식도
- 박테리아를 검출하면 전하밀도가 높아져 전기 신호가 강해짐
(b) 수용체 변경이 가능한 나노 바이오센서 개발
- 수용체별 대장균(Escherichia coli) 실시간 검출 결과
► 수용체가 없는 경우(OGMFET, 회색선)에는 대장균과 반응하지 않음
► 수용체를 아미노산 N말단과 결합(N-MOGMFET, 연두색선) 시에는 대장균에 대한 민감도가 낮음
► 수용체를 아미노산 C말단과 결합(C-MOGMFET, 파란색선) 시에는 대장균에 대한 민감도가 높음
(c) 타겟 박테리아만 높은 민감도로 검출
- 황색포도상구균(S. aureus)와 장내 구균(E. faecium), 대장균(E. coli)을 순차적으로 주입하였으나 타겟 박테리아인 대장균에만 선택적으로 반응함
생명과학 한국생명공학연구원 (2022-11-03)