코로나19 PCR검사 5분 내 끝낸다!

KAIST 정기훈 교수팀, 현장진단형 초고속 PCR기술 개발

정기훈(오른쪽) 교수와 강병훈 박사과정생이 나노플라즈모닉 PCR용 칩을 들어보이고 있다. [KAIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 연구진이 코로나19 진단에 사용되는 PCR(중합효소연쇄반응) 검사시간을 5분 내로 단축할 수 있는 기술을 개발했다. 기존 PCR 검사는 결과가 나오기까지 한 시간가량 소요되는데, 이 기술은 LED 광원을 이용해 5분 내에 결과를 확인할 수 있다.

한국과학기술원(KAIST)은 바이오 및 뇌공학과 정기훈 교수 연구팀이 나노 플라즈모닉 구조를 통해 빠른 열 순환 및 실시간 정량 분석이 가능한 초고속 실시간 중합효소연쇄반응(PCR) 기술을 개발했다고 7일 밝혔다.

나노 플라즈모닉 구조란, 빛의 파장보다 작은 크기의 금속 나노구조이며, 빛이 표면에 조사될 때 금속 표면과 유전체의 경계에서 빛과 전자가 상호작용을 한다. 주로 바이오물질의 검출이나 분자 진단에 많이 응용된다.

최근 코로나19를 포함한 전염성이 높은 바이러스의 확산을 방지하기 위해 신속하고 정확하게 바이러스를 검출하는 기술이 절실하게 필요하다. 역전사 중합효소연쇄반응(RT-PCR)은 가장 표준화된 코로나19 진단법으로, 바이러스 내부의 유전물질인 RNA를 상보적 DNA로 역전사한 후 타깃 DNA를 증폭해 형광 프로브로 검출하는 방법이다. 하지만 기존 RT-PCR는 높은 민감도와 정확도를 갖추지만 검출시간이 길고 고가의 대형 장비를 갖춘 장소로 검체를 운송한 후 진단하는 등 실시간 현장 대응의 한계가 존재한다.

연구팀이 개발한 ‘실시간 나노 플라즈모닉 PCR'는 백색 발광다이오드(LED)의 높은 광 흡수율을 갖는 나노 플라즈모닉 기판에 진공 설계된 미세 유체칩을 결합해 소량의 검체를 신속하게 증폭하고 정량적으로 분석해 바이러스를 단시간 내에 정확하게 검출할 수 있다. 이러한 특징을 이용해 공공장소 등 환자 발생장소에서 병원성 바이러스의 확산 및 해외 유입을 차단할 수 있을 것으로 기대된다.

나노 플라즈모닉 기판은 유리 나노기둥 위 금 나노섬 구조로 가시광선 전 영역에서 높은 광 흡수율을 가지므로 백색 LED의 빛을 열에너지로 치환해 빠르게 열을 발생시키고 내보낼 수 있다. 또한 광열 발생장치의 수직적인 온도 구배로 인한 증폭 효율 저하를 해결하기 위해 연구팀은 진공 설계된 미세 유체칩을 결합했다.

이는 샘플 한 방울을 칩에 넣으면 진공이 액체를 마이크로 챔버로 잡아당겨 자동으로 3분 이내에 주입되고, PCR 과정 동안에 발생하는 미세 기포는 공기투과성 벽을 통해 제거돼 PCR 효율을 높이는 원리다.

연구팀은 SARS-CoV-2 플라스미드 DNA를 사용해 해당 기술을 검증했고, 5분 이내에 수행해 타깃 바이러스를 91%의 증폭 효율과 함께 정량적으로 검출했다. 이는 기존 약 1시간이 걸리던 실시간 PCR 시스템보다 빠르고 높은 증폭 효율을 보이므로 신속한 현장 진단에 적용되기 적합할 것으로 보인다.

나노플라즈모닉 PCR용 칩의 이미지(왼쪽). MEMS 공정을 통해 제작된 유리 나노기둥 위 금 나노섬 구조의 SEM 이미지(오른쪽). [KAIST 제공]

정 교수는 "실질적으로 현장에서 사용 가능한 초고속 분자진단법을 개발했다ˮ며 "이 실시간 나노 플라즈모닉 PCR기술은 현장에서 분자 진단을 위한 차세대 유전자 증폭 플랫폼을 제공할 것이며 바이러스 확산 방지에 기여할 수 있을 것으로 예상한다ˮ고 말했다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘에이시에스 나노(ACS Nano)’ 5월 19일자에 게재됐다.

nbgkoo@heraldcorp.com

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