나노기술 및 정책 정보

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신종 코로나바이러스 감염증(코로나19)을 현장에서 단 17분 안에 정확하게 진단할 수 있는 초고속 '나노PCR'(nanoPCR) 장비가 개발됐음.

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 밝혔음.

현재 국내에서는 코로나19 확진 검사에 정확도가 높은 실시간 '역전사 유전자 증폭'(RT-PCR) 방식을 활용하고 있음. 그러나 현 RT-PCR 방식은 검체 채취에서 바이러스 검출까지 4시간 이상이 걸려 신속 대응이 어렵고, 고가의 대형 장비를 갖춘 병원이나 연구소 등으로 바이러스 검체를 운송해 진단해야 하기에 시간과 비용이 많이 듦.

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

MPN은 빛 에너지를 빠르게 열에너지로 바꿔주는 나노입자임. 나노 PCR 기계에 바이러스 검체 샘플과 MPN 등을 섞은 용액을 넣고 빛을 가하면 가열되면서 유전물질 증폭과정이 시작됨.

처음 6분가량 샘플에 빛을 가하면 온도는 42℃까지 올라감. 이 과정에서 RNA가 DNA로 변화하는 역전사 반응(RT)이 일어남. 이후 초고속으로 60℃∼90℃ 사이 온도를 올렸다 내리는 작업을 진행해 유전자를 증폭시킴. 기존 RT-PCR에서는 이 과정에 2시간 이상이 걸리지만 나노 PCR에서는 5분 이내에 가능함.

천 단장은 "MPN 혼합 용액이 녹아있는 튜브가 플라즈모닉 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 말했음.

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

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

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

나노 PCR은 장치 크기(15x15x18.5㎝)가 작고 무게가 3㎏으로 가벼움. 휴대가 용이해 실험실이나 연구소뿐만 아니라 어디서든 활용할 수 있음. 다만 아직 현장 사용은 어려운 상태임. 장비를 상업화하거나 상용화하려면 추가 연구 개발이 필요함.

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 말했음.

본 연구 성과는 ‘Nature Biomedical Engineering’ 지에 게재됨.