나노기술 및 정책 정보

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COVID-19 대유행이 전 세계로 계속 확산됨에 따라 진단은 바이러스를 추적하고 격리하기 위한 핵심 전략임.

일리노이 대학교(University of Illinois at Urbana-Champaign) 연구팀이 5 분 이내에 바이러스의 존재를 감지할 수 있는 빠르고 민감한 종이 기반의 전기화학 센서를 공동 개발했음. 현재 우리는 인생을 바꾸는 한 세기에 한 번 일어날 사건을 경험하고 있음. SARS-CoV-2에 대한 조기 발견 및 진단 및 치료를 위한 다 분야 도구를 개발함으로써 통합적인 접근 방식에서 이러한 글로벌 요구에 대응하고 있음. 시장에는 두 가지 광범위한 범주의 COVID-19 테스트가 있음. 첫 번째 범주는 역전사 효소 실시간 중합 효소 연쇄 반응 (RT-PCR) 및 핵산 혼성화 전략을 사용하여 바이러스 RNA를 식별함. 현재 FDA에서 승인한 진단 테스트는 이 기술을 사용함. 몇 가지 단점으로는 테스트를 완료하는 데 걸리는 시간, 전문 인력의 필요성, 장비 및 시약의 가용성이 포함됨. 두 번째 검사 범주는 항체 검출에 중점을 둠. 그러나 사람이 바이러스에 노출된 후 검출 가능한 항체를 생산하기 위해 며칠에서 몇 주까지 지연될 수 있음.

최근 몇 년 동안 연구원들은 그래핀과 같은 2D 나노 물질을 사용하여 질병을 감지하는 현장 진료 바이오 센서를 만드는 데 성공했음. 그래핀 기반 바이오 센서의 주요 장점은 감도, 낮은 생산 비용 및 신속한 검출 주기임. 그래핀의 발견은 그 특성으로 인해 센서 개발의 새로운 시대를 열었음. 그래핀은 민감한 전기화학 센서의 개발에 이상적인 고유의 기계적 및 전기 화학적 특성을 가지고 있음. 연구팀은 SARS-CoV-2 유전 물질의 존재를 선택적으로 감지하기 위해 전기 판독 설정을 갖춘 그래핀 기반 전기화학 바이오 센서를 만들었음. 이 바이오 센서에는 두 가지 구성 요소가 있음. 전기 판독을 측정하는 플랫폼과 바이러스 RNA의 존재를 감지하는 프로브임. 플랫폼을 만들기 위해 연구원들은 먼저 전도성 필름으로 그래핀 나노 판 층으로 여과지를 코팅하여 사용하였음. 그런 다음 전기 판독을 위한 접촉 패드로 그래핀 위에 미리 정의된 디자인의 금 전극을 배치했음. 금과 그래핀은 모두 높은 감도와 전도도를 가지고 있어 이 플랫폼은 전기 신호의 변화를 감지하는 데 매우 민감함.

현재의 RNA 기반 COVID-19 검사는 SARS-CoV-2 바이러스에 N- 유전자(뉴 클레오 캡시드 인 단백질)가 존재하는지 검사함. 이 연구에서 팀은 N- 유전자의 두 영역을 표적으로 삼는 안티센스 올리고 뉴클레오티드 (ASO) 프로브를 설계했음. 두 영역을 표적으로 하는 것은 한 영역이 유전자 돌연변이를 겪을 경우 센서의 신뢰성을 보장함. 또한 금 나노 입자(AuNP)는 SARS-CoV-2 RNA에 대한 초고감도 감지 프로브를 나타내는 이러한 단일 가닥 핵산(ssDNA)으로 덮여 있음. 연구원들은 이전에 ACS Nano에 발표 된 이전 연구에서 개발 된 감지 프로브의 감도를 보여주었습니다. 이러한 프로브와 바이러스 RNA의 혼성화는 센서의 전기적 반응에 변화를 일으킴. AuNP 캡은 전자 전달을 가속화하고 감지 플랫폼을 통해 출력될 때 신호를 증가시키고 바이러스의 존재를 나타냄. 팀은 COVID-19 양성 및 음성 샘플을 사용하여 이 센서의 성능을 테스트했음. 센서는 음성 샘플에 비해 양성 샘플의 전압이 크게 증가한 것으로 나타났으며 5 분 이내에 바이러스 유전 물질의 존재를 확인했음. 또한 센서는 이러한 샘플에서 바이러스 RNA 부하를 구별할 수 있었음. 바이러스 부하는 감염 진행을 나타내는 중요한 정량적 지표이나 기존의 진단 방법을 사용하여 측정하는 데 어려움이 있었음. 이 플랫폼은 이식성과 저렴한 비용으로 인해 광범위한 응용 프로그램을 가지고 있음. 이 센서는 마이크로 컨트롤러 및 LED 스크린과 통합되거나 블루투스 또는 와이파이를 통해 스마트폰과 통합하여 의사 진료실이나 가정의 진료 현장에서 사용할 수 있음. COVID-19 외에도 연구팀은 이 시스템이 다양한 질병을 감지하는 데 적용할 수 있을 것으로 기대함.

본 연구 성과는 ‘ACS Nano’ (“Rapid, Ultrasensitive, and Quantitative Detection of SARS-CoV-2 Using Antisense Oligonucleotides Directed Electrochemical Biosensor Chip”) 지에 게재됨