1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드

바이오센서 분야는 다양한 중요 타겟 물질의 정교한 측정이 중요한 분야로써, 수많은 질병의 조기 진단, 줄기세포 분화 모니터링 및 줄기세포 치료제 개발, 암 진단 등 무수히 많은 바이오 분야에 기여할 수 있는 연구 분야입니다. 무수히 많은 단백질, 효소, DNA/RNA, 화학물질 등 다양한 타겟 물질 등이 존재하며, 타겟에 맞게 효율적인 바이오센싱 시스템을 고안하는 것이 중요하며, 최근에는 보다 쉽고 간편하고 빠르게 진단을 할 수 있는 바이오센서의 개발이 환자맞춤형 진료 및 현장검사 (point-of-care test, POCT) 등에 대한 관심도의 증가와 발맞추어 중요한 요소라고 할 수 있습니다.

본 연구에서는 SARS-CoV-2 viral RNA와 그 돌연변이체를 민감하게 진단하고 구별해 낼 수 있는 전기화학 바이오센서를 개발하였습니다. 쉽고 간편하지만 민감도도 극대화된 바이오센서를 개발하기 위하여, 우리는 미스매치 뉴클레익 엑시드가 존재할 시에 특정 금속이온이 그 미스매치 지역으로 들어가 미스매치 구조를 안정화시키는 현상을 바이오센서 개발에 이용하였습니다. 우리는 프로브 역할을 수행하는 DNA가 SARS-CoV-2 viral RNA와 이중결합을 형성시에 의도적으로 C-C 미스매치를 형성하도록 디자인하였습니다. 그리고 C-C 미스매치에 들어갈 수 있는 Ag 이온을 이용하여, C-Ag-C 복합체를 형성할 수 있도록 하였습니다. 이를 통하여, SARS-CoV-2 viral RNA가 존재하는 경우에만 C-C 미스매치가 형성이 되고, 여기에 Ag 이온이 들어가 C-Ag-C 복합체가 형성될 수 있으며, 그 자체로 우수한 산화환원특성을 가지는 Ag 이온의 신호를 측정함으로써 SARS-CoV-2 viral RNA의 진단을 확인할 수 있었습니다. 이 방법을 도입하여, 유전자증폭과정 및 추가적인 전처리 과정이 없이도 fM 수준의 높은 민감도를 가진 바이오센서를 개발할 수 있었습니다. 또한, 민감도의 증가를 위하여, 기존에 많이 보고가 된 레이저간섭리소그래피 (LIL) 기반 금속 나노패턴과는 달리, 서로 다른 금속을 섞어 나노패턴을 만들고, 그 뒤에 한가지 금속을 제거함으로써 다공성 나노패턴을 제작하여 표면적의 극대화를 달성하고자 하였습니다. 이를 위하여, Au 와 Ag의 혼합물을 전기화학증착하여 나노패턴으로 제작한 뒤에 질산을 이용하여 Ag를 제거함으로써 다공성 금 나노패턴 어레이 (Au nanoporous electrode array, Au NPEA)를 개발하고, 이를 전극으로 활용하였습니다.

나아가, 본 연구에서는 기존의 널리 알려진 바이오센싱 방법들이 가지고 있던 한계점 (타겟 viral DNA 또는 RNA와, 타겟에서 유래된 돌연변이체를 쉽고 빠른 방법으로 구별해내기 어려움)을 극복하고자, 앞서 사용된 C-Ag-C 복합체와 GA-Mg-GA 복합체를 도입하여, SARS-CoV-2 viral RNA와 그 돌연변이 시퀀스를 전기화학 방법으로 쉽고 빠르게 구별하는 바이오센싱 시스템을 구축하였습니다. 디자인된 프로브 DNA에 결합하는 SARS-CoV-2 viral RNA 또는 돌연변이 시퀀스에 따라서 서로 다른 미스매치 시퀀스가 생성되고, 서로 다른 금속 이온이 결합하는 것을 이용하였습니다. Ag와 Mg 이온이 서로 다른 산화환원피크 위치를 갖기 때문에, 피크의 위치 및 세기에 따라서 두 시퀀스를 구별하고, 정량화하는 것이 가능했습니다.

본 바이오센서는 개념증명 (Proof-of-concept) 연구로 진단된 SARS-CoV-2 진단 외에도 다양한 중요 DNA 및 RNA 그리고 그들의 돌연변이체를 진단할 수 있는 플랫폼 기술을 제공할 수 있으며, 실용화 연구를 통한다면, 오늘날 코로나 팬데믹 시대와 같은 전염병이 발병한 사회에서 큰 기여를 할 수 있을 것이라고 생각됩니다.

2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁드립니다.

본 연구는 미국 Rutgers 대학교 Department of Chemistry & Chemical Biology의 이기범 교수님 연구실과 서강대학교 화공생명공학과의 최정우 교수님 연구실의 공동연구로 진행이 되었습니다. 이기범 교수님 연구실에서는 다양한 기능성 나노패턴 어레이 제작, 이를 이용한 나노바이오센싱, 줄기세포 분화 제어 연구 및 줄기세포 기반 치료 응용 연구 등을 진행하고 있습니다. 최정우 교수님 연구실은 나노바이오복합물질을 이용한 바이오센싱, 바이오전자소자칩/세포칩 개발 연구를 주로 진행하고 있으며, 최근에는 오가노이드온어칩 연구도 진행하고 있습니다. 두 연구실의 긴밀한 협력을 통하여 기능성 나노패턴 기술과 뉴클레익 엑시드-금속 이온 복합체를 기반으로 한 바이오센싱 기술의 융합으로 이번 연구결과가 나올 수 있었습니다.

3. 연구 활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람

해당 연구는 미국에서 한창 코로나 문제가 극성이던 시기에 디자인되고 시작된 연구입니다. 코로나 사태로 학교가 몇 달 간 폐쇄되는 등의 문제가 있었고, 또한 다시 개방이 된 후에도 연구실에서 확진자가 나오는 등 우여곡절이 많았습니다. 하지만 어려운 시기임에도 함께 연구를 진행한 동료들과 같이 연구를 잘 마무리할 수 있었고, 모든 문제의 원인인 코로나 바이러스와 그 돌연변이 진단에 활용 가능한 바이오센서 연구를 논문으로 잘 출간할 수 있었던 점이 다행이라고 생각됩니다.

4. 이 분야로 진학하려는 후배들 또는 유학준비생들에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면?

나노바이오 및 센싱 분야는 활발하게 연구가 진행되며 많은 논문들이 출간되고 있는 분야입니다. 이 분야에서 경쟁력을 갖추기 위해서는, 창의력 있는 아이디어의 구축 및 실재화가 그 무엇보다 중요하다고 생각됩니다. 무턱대고 실험을 시작하기 보다는 아이디어를 확실히 구축하고 나서 이를 기초로 실험을 시작하는 것이 보다 연구를 진행해 나가는데 있어서 효율적일 것이라고 충고해주고 싶습니다. 또한, 본인이 보유하고 있는 또는 잘할 수 있는 기술분야와 본인이 유학을 가고자 하는 연구실이 잘하는 분야가 융합되어 시너지 효과를 낼 수 있는지를 생각해 보는 것이 유학 또는 박사후 과정을 가기 위한 연구실을 선택하는데 있어서 중요한 고려사항 중 하나라고 생각됩니다.

5. 연구 활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?

본 연구는 Viral RNA 또는 DNA 그리고 그 돌연변이체를 포함한 다양한 뉴클레익 엑시드를 측정하는데 있어서 효과적인 하나의 기술로써 확장성이 높다고 생각됩니다. 다만, 이번 연구의 경우, 실험실 수준에서 구현을 한 만큼 실제적인 응용을 위해서는 넘어야할 단점이 많다고 생각됩니다. 따라서, 지금의 결과를 기반으로 좀 더 발전되고, 실생활에서 활용이 가능한 바이오센서 개발 연구를 진행해 보고자 합니다. 이를 통하여, 다양한 바이러스와 그 돌연변이체 또는 중요 마이크로RNA 등의 다중진단이 가능한 바이오센서 시스템을 개발한다면 질병의 조기진단 및 줄기세포 분화 모니터링 연구 등 넓은 분야에 활용될 수 있을 것이라고 생각됩니다. 이와 동시에, 플렉시블한 기판 상에 나노패턴의 도입을 통하여 현장검사 (point-of-care test, POCT)에서 활용될 수 있는 웨어러블/플레시블 바이오센서 연구도 진행을 해보고자 합니다.

6. 다른 하시고 싶은 이야기들.....

먼저 이자리를 빌어 학부시절부터 박사과정, 그리고 지금까지도 올바른 가르침과 조언을 아끼지 않으시며 지도해 주신 최정우 교수님과 낯선 미국 생활에 적응하고 연구를 할 수 있도록 지도해주신 이기범 교수님께 감사 인사를 드리고 싶습니다. 두 분의 가르침으로 부족한 제가 연구를 하는 방법과 참된 과학인의 자세가 무엇인지를 조금은 알 수 있었습니다. 또한, 이 곳에서 함께 연구를 진행했던 동료들과, 먼 타지에 있음에도 외롭지 않도록 자주 연락을 해 주셨고 좋은 이야기를 해 주시던 한국 연구실 출신 선배님들께도 감사 인사를 드리고 싶습니다. 그리고, 언제나 연구를 하고 논문을 완성하는데 있어 많은 도움을 주던 민규, 혜규, 종표, 이 세명의 연구실 후배들에게도 감사하다고 이야기하고 싶습니다.

또한 지금까지 저를 항상 믿어 주시고 아낌없이 지원해주신 부모님, 힘든 미국생활에서도 묵묵히 옆에서 힘이 되어주던 제 아내, 하나뿐인 동생 그리고 어머님, 아버님을 포함한 모든 가족에게 감사하다고 이야기하고 싶으며, 이 외에도 대학원 시절부터 함께 생활해 온 연구실의 수많은 동료, 선후배 분들께 감사하다는 말씀을 드리고 싶습니다.