빛으로 극소량 단백질 검출하는 바이오센서 개발… 진단 시간·비용 절감

UNIST·기계연, 메타물질과 압타머 활용해 센서 감도 높여

이종원 울산과학기술원(UNIST) 전기전자공학과 교수와 정주연 한국기계연구원 나노리소그래피 연구센터 책임연구원 공동 연구진이 단백질 검출 민감도를 획기적으로 높인 새로운 바이오센서를 개발했다. 사진은 바이오센서의 모식도./UNIST

국내 연구진이 빛으로 극소량의 단백질을 빠르고 정확하게 검출하는 바이오센서를 개발했다. 단백질 검출 효율을 크게 높여 신종 코로나바이러스(코로나19) 같은 전염병 확산을 막는 데 도움이 될 것으로 기대된다.

이종원 울산과학기술원(UNIST) 전기전자공학과 교수와 정주연 한국기계연구원 나노리소그래피 연구센터 책임연구원 공동 연구진은 단백질 검출 민감도를 획기적으로 높인 새로운 바이오센서를 개발했다고 11일 밝혔다. 연구 결과는 국제 학술지 ‘바이오센서 앤 바이오일렉트로닉스(Biosensors and Bioelectronics)’ 온라인판에 지난 5월 27일 게재됐다.

연구진은 단백질 검출 민감도를 높이기 위해 ‘메타물질 흡수체’를 사용했다. 메타물질은 표면에 빛 파장 길이보다 작은 초미세구조가 배열된 특수 기능성 물질이다. 메타물질을 구성하는 입자를 바꿔 특정 빛에 매우 민감하게 반응하도록 만든다. 이를 활용하면 분석하고자 하는 시료를 거친 빛의 미세한 변화를 읽어 물질의 종류를 알 수 있다. 대량 생산이 쉽고 공정 비용도 저렴하다.

바이오센서는 메타물질 흡수체에 압타머(Aptamer)를 고정해 만들었다. 압타머는 특정 단백질과 상호작용하는 물질로, 표적 단백질과 결합하면 광학 특성이 바뀐다. 이 변화를 살피면 단백질이 얼마나 있는지 알 수 있다.

연구진은 바이오센서로 267.4pM(피코몰라, 용액 1리터 속에 녹아 있는 용질의 양을 나타내는 단위)에 불과한 단백질 ‘트롬빈’ 극소량을 감지했다. 트롬빈은 혈액 응고와 관련된 단백질로, 신체의 이상 유무나 질병을 진단하는 기준으로 쓰인다.

이번에 개발한 바이오센서는 단백질에 형광이나 화학물질을 처리하지 않고 바로 농도를 측정한다. 항원 단백질과 결합하는 효소를 이용해 색 변화를 보는 효소면역측정법(ELISA)보다도 시간과 비용을 크게 절약할 수 있다. 연구진은 “효율적이고 경제적인 새로운 진단 도구로, 비용이 많이 드는 기존 질병 진단 과정을 대체할 수 있다”고 설명했다.

연구를 이끈 이종원 교수는 “메타물질을 사용해 극소량의 단백질을 검출할 수 있었다”며 “저렴하고 신속하게 단백질을 검출할 수 있어 진단과 치료 과정을 쉽게 만들 것”이라고 밝혔다. 정주연 책임연구원은 “이번에 개발한 바이오 센서는 질병을 조기에 발견하고, 전염병 확산을 막는데 크게 기여할 것”이라고 전했다.

아래 왼쪽부터 이종원 교수, 김민균 UNIST 연구원./UNIST

참고 자료

Biosensors and Bioelectronics(2024), DOI: https://doi.org/10.1016/j.bios.2024.116436

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