한국과학기술원(KAIST)은 바이오·뇌공학과 정기훈 교수 연구팀이 금속 나노 구조 기판을 이용해 바이러스를 실시간으로 진단할 수 있는 유전자 분석 방법인 ‘중합효소연쇄반응'(PCR) 기술을 개발했다고 7일 밝혔다.
현재 표준화된 코로나19 바이러스 진단 방법으로 ‘역전사 중합효소연쇄반응'(RT-PCR) 기술이 쓰이고 있다. 바이러스 내부 유전물질인 리보핵산(RNA)을 상보적 DNA로 역전사한 뒤 표적 DNA를 증폭시켜 형광물질로 검출하는 방식으로 이뤄진다.
정확도는 높지만 바이러스 검출을 위해 온도를 올렸다 내리는 과정에 시간이 오래 걸리고, 대형 장비를 갖춘 병원 등에 검체를 운송한 뒤 진단해야 해 실시간 현장 대응이 어려웠다.
최근 개발된 코로나19 자가검사 키트는 15∼20분 내 진단이 가능하지만, 항원-항체 결합 원리를 이용한 항원 검사 방식이어서 민감도가 떨어진다는 단점이 있다.
연구팀은 나노 플라즈모닉 구조(빛의 파장보다 작은 크기의 금속 나노 구조)의 기판을 이용해 소량의 검체를 신속하게 증폭하는 방법으로 바이러스를 단시간 내에 검출하는 데 성공했다.
가시광선 영역에서 높은 광 흡수율을 갖는 나노 플라즈모닉 기판에 백색 발광다이오드(LED)를 쪼여 기판의 온도를 유전자 증폭에 필요한 60도에서 98도까지 자유자재로 변화시키는 데 성공했다.
진공 유체 칩을 결합, 유전자 증폭 과정 동안 발생하는 미세 기포를 제거함으로써 효율을 높였다.
연구팀은 이 기술을 코로나19 바이러스(SARS-CoV-2) 플라스미드 DNA(양성 검체로 사용되는 운반체 DNA)에 적용해 표적 DNA를 91%의 증폭 효율로 검출해내는 데 성공했다.
검출 시간은 5분 이내로, 1시간가량 걸리는 기존 RT-PCR 방식에 비해 매우 빠르고 증폭 효율도 높다.
RNA에서 상보적 DNA를 합성하는 단계를 거치더라도, 10분 안에 진단이 가능하다고 연구팀은 설명했다.
고가의 대형 장비 없이 초소형 분자기기를 이용해 유전자를 검출할 수 있는 ‘랩온어칩'(Lap-on-a-chip·칩 위의 실험실) 기술로, 다중이용시설이나 병원 등 방역 현장에서 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘에이씨에스 나노'(ACS Nano) 지난달 19일 자에 실렸다.