나노기술 및 정책 정보

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알츠하이머병의 원인물질로 알려진 아밀로이드베타와 타우 단백질을 한 번의 실험에서 동시에 검출할 수 있는 바이오센서 플랫폼이 개발됐음.

경희대학교 의과대학 황교선 교수 연구팀은 고려대학교 바이오의공학과 윤대성 교수 팀과 공동으로 그래핀 전계효과 트랜지스터(gFET)를 이용해 알츠하이머병의 주요 원인물질(아밀로이드베타, 타우)을 한 번에 진단할 수 있는 고감도 나노바이오센서를 개발했다고 발표했음.

개발된 바이오센서 플랫폼은 혈액, 뇌척수액 등 체액에 존재하는 특정 바이오마커를 펨토그램 수준까지 검출할 수 있으며, 한 번의 실험에서 두 가지 물질을 동시에 측정할 수 있게 만든 것이 특징임.

알츠하이머 진단을 위한 바이오센서는 양전자 단층촬영(PET)/자기공명영상진단(MRI) 등 고가의 영상진단장치를 대체할 수 있는 기술로, 임상에 적용될 경우 값싸고 편리하게 치매를 진단하는 데 기여할 것으로 기대됨.

연구팀은 알츠하이머병의 주요 원인 물질인 베타아밀로이드와 타우 단백질이 체액의 생리학적 환경(산도 pH 7.4)에 따라 서로 다른 표면 전하 특성을 가진다는 점에 착안, 그래핀 기반 전계효과 트랜지스터 위에서 두 생체물질이 내는 신호를 각각 구별해 검출해 내는 '다중 검출 플랫폼'을 개발했음. 그래핀을 이용한 전계효과 트랜지스터는 고감도의 우수한 전기적 특성과, 다양한 항체를 부착할 수 있는 표면 특성을 장점으로 바이오센서 플랫폼으로 활발히 연구되고 있음.

세상에 존재하는 대부분의 단백질 혹은 펩타이드 구성물은 환경에 따라 양(+) 혹은 음(-)의 표면전하를 갖게 되는데, 그 기준이 되는 것이 등전점(isoelectric point, 특정 분자가 전기적인 전하를 띠지 않고 중성 상태가 되는 pH. 단백질의 경우 등전점보다 낮은 pH에서는 양전하를, 등전점보다 높은 pH에서는 음전하를 띰)임. 아밀로이드베타의 등전점은 5.1이며 타우 단백질은 8.24의 등전점을 가짐. 따라서 pH 7.4인 체액 환경에서 아밀로이드베타는 음(-)의 성질을, 타우 단백질은 양(+)의 성질을 띠게 됨.

그래핀 전계효과트랜지스터는 이같은 표면전하의 변화를 전기적으로 검출하는 역할을 함. 그래핀 전계효과트랜지스터는 일반적인 반도체 소자인 전계효과 트랜지스터(FET)의 게이트 부분에 그래핀을 도포한 것으로, 특정 바이오마커를 붙잡을 수 있는 항체를 그래핀 표면에 고정화해 바이오센서로 활용함.

이번에 개발한 바이오센서 플랫폼은 두 종류의 알츠하이머 원인물질과 결합하는 항체를 그래핀에 부착하고 아밀로이드베타를 검출하는 전극과 타우단백질을 검출하는 전극을 한 플랫폼에 통합한 것임.

연구팀은 “이번 연구 결과를 기반으로 실제 환자/정상인의 혈액 및 타액 샘플 내에서의 베타아밀로이드와 타우 단백질의 농도를 분석하여 알츠하이머병의 위험도를 진단하는 임상연구를 경희대학교병원 신경과 이진산 교수와 진행하고 있다”고 전하고 “이번에 개발한 플랫폼 기술은 다양한 질병 진단에 확장할 수 있는 장점을 갖고 있어 알츠하이머 외에도 다양한 질병 진단에 확장할 수 있을 것"으로 기대함.

본 연구 성과는 ‘Biosensors & Bioelectronics’ (“Multiplexed femtomolar detection of Alzheimer's disease biomarkers in biofluids using a reduced graphene oxide field-effect transistor”) 지에 게재됨.