[쿠키과학] '유전자 가위로 변이 바이라스도 판별'… KAIST, 다중 바이러스 진단기술 개발

반응 속도 패턴 활용한 ‘키네틱 바코딩’ 기술 개발
RNA 직접 검출로 검사시간 단축·과정 단순화
다양한 호흡기 바이러스·코로나 변이 동시 식별

 크리스퍼 Cas13 효소의 반응 속도를 이용한 키네틱 바코딩 개념도. 오른쪽 점선 영역은 반응 속도 조절을 위해 변형된 가이드 RNA 영역을 나타냄. KAIST

KAIST가 유전자 가위 반응 속도를 설계해 다양한 바이러스와 변이를 한 번에 식별하는 새로운 진단 기술을 개발했다.

이 기술은 검사 과정을 단순화하면서도 다중 감염병을 한 번에 판별할 수 있어 신종 감염병 대응 방식을 획기적으로 개선할 것으로 기대된다.

KAIST 바이오및뇌공학과 손성민 교수팀은 미국 UC 버클리, 글래드스톤연구소와 공동연구로 유전자 가위 반응 속도 차이를 활용한 새로운 RNA 진단 기술을 개발했다.

연구팀은 특정 RNA를 표적으로 인식해 주변 RNA를 자르며 형광 신호를 내는 Cas13 유전자 가위 단백질을 활용했다. 

Cas13은 특정 RNA를 인식하면 활성화돼 주변 RNA를 절단하며 형광 신호를 발생시키는 크리스퍼 효소다. 

기존 크리스퍼 진단 기술은 여러 바이러스를 동시에 검출하기 위해 서로 다른 효소나 다양한 색의 형광 물질을 사용해야 해 검사 구조가 복잡하고 현장 적용에 한계가 있었다.

연구팀은 유전자 가위가 목표물과 결합해 가위질을 하는 속도가 바이러스 종류마다 다르다는 점에 주목했다. 

수십 피코리터(pL) 크기 아주 작은 물방울(미세액적) 안에서 단일 분자 단위로 관찰한 결과 유전자 가위가 목표를 찾는 위치 정보인 가이드 RNA와 표적 RNA 조합에 따라 고유한 반응 속도 패턴이 나타나는 것을 확인했다.

미세 액적 기반 키네틱 바코딩을 이용한 다중 바이러스 검출. KAIST

연구팀은 이런 반응 속도 차이를 바코드처럼 읽어내 여러 바이러스를 구별하는 ‘키네틱 바코딩(kinetic barcoding)’ 기술을 진단에 적용했다. 

이는 가이드 RNA 설계를 조정하면 유전자 가위질 속도를 인위적으로 조절할 수 있어 단 하나의 유전자 가위만으로도 수많은 바이러스와 변이를 동시에 판별하는 확장성을 갖췄다.

검사 과정도 대폭 단축했다. 

기존 RNA 바이러스 검사는 RNA를 DNA로 바꾸는 역전사 과정을 거쳐야 해 절차가 복잡하고 시간이 오래 걸렸다. 

이 기술은 역전사 없이 RNA를 직접 인식해 검출하므로 더 간편하고 정밀하게 분석할 수 있다.

실제 임상 샘플에 적용한 결과 다양한 호흡기 바이러스와 코로나19 변이를 단 한 번의 반응으로 정확하게 구분했다.

이번 연구는 미세액적 기반 분석 플랫폼을 통해 개별 효소 반응을 측정하는 단일 분자 수준 정밀 진단을 구현했다는 점에서도 의미가 크다.

손 교수는 "이번 연구는 유전자 가위 반응 속도라는 새로운 정보를 진단에 활용한 첫 사례"라며 "앞으로 나타날 다양한 감염병을 현장에서 한 번에 진단하는 차세대 플랫폼으로 활용하겠다"고 말했다.

한편, 이번 연구는 손 교수가 제1저자이자 공동 교신저자로 참여했고, 연구결과는 지난달 31일 국제학술지 ‘네이처 바이오메디컬 엔지니어링(Nature Biomedical Engineering)’에 게재됐다.

KAIST 손성민 교수. (상단 왼쪽부터)다니엘 플래쳐 교수, 멜라니 오트 교수. KAIST

이재형 기자 jh@kukinews.com