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

COVID-19에 대한 진단/스크리닝은 특히 증상이 나타나기 전이나 무증상인 경우에 중요하며, 이단계에서의 정확한 진단이 바이러스 전파를 최소화하는 데 필수적입니다. COVID-19 팬데믹 진단 및 스크리닝 기술로서 RT-PCR은 높은 정확성/민감도로 인해 표준기술로 자리 잡았으나, 높은 가격, 긴 분석시간, 그리고 접근성에 있어서 한계를 가지고 있으며 또한 숙련된 인력이 필요하고, 값비싼 장비가 요구되는 등 빠른 현장 진단에 있어 한계를 가지고 있습니다. 특히 시편의 운송/분석/결과 통보에 걸리는 긴 시간 (turnaround times: 6시간~3일) 동안 제대로 된 격리 및 치료를 못하는 등의 사회적 문제가 발생되었으며, 이에 따라 현장진단 필요성이 절실히 요구되고 있습니다. 현장 진단 기술로서의 래피드 키트는 값싸고 빠른 진단이 가능함에도 불구하고, 그 민감도가 크게 떨어지는 단점 때문에 응용에 한계를 가지고 있고 특히 초기감염 (저역가) 환자에 대해서 50% 미만의 민감도를 보이며 실제 감염된 환자를 분별하는 능력이 크게 떨어지는 한계를 가지고 있습니다.

저희 연구팀은 바이오-나노 하이브리드 필터 기술 및 진단 시스템 개발을 통해 복잡한 채취 시료로부터 바이러스 (SARS-CoV-2) 및 타겟 단백질(nucleocapsid (N) proteins)만을 농축/분리함으로써 감염성 질환의 고민감도 현장진단시스템을 제안하였습니다. 실제 COVID-19 임상샘플 (n=62) 테스트를 통해 바이오-나노 하이브리드 필터 및 시스템 (BEETLES2: bioengineered enrichment tools for lateral flow assays (LFAs) with enhanced sensitivity and specificity) 사용 전/후 정확도가 41.94%에서 91.9%로 크게 증가함을 검증하였습니다. 저희 기술은 1) 델타변이 (Delta variants), 오미크론 변이 (Omicron variants) 등 변이에 상관없이 현장 진단 가능하며, 2) 무증상 환자 또한 높은 민감도로 진단 가능하고, 3) 스마트폰과 결합하여 질병의 완화/악화/회복기에 대한 분석 정보 제공이 가능합니다. 또다른 장점으로 4) PCR검사의 경우 감염력이 적은 회복기 환자를 양성 분류함으로써 불필요한 격리 및 사회적 비용을 야기시키지만, 본 기술은 회복기 환자 구별이 가능한 장점이 있습니다. 또한 본 기술은 5) 인플루엔자 A/B 적용이 가능함을 입증했으며, 5) 빠른 전처리 시간 ( < 3분) 및 가격경쟁력 (수백원이내) (6) 바이러스 및 타겟 단백질 모두 농축 가능한 특징으로 인해 가까운 미래에 출현가능한 신/변종 바이러스에 빠른 적용이 가능할 것으로 기대됩니다. 향후 추가적인 제품화 연구를 통해 펜데믹, 엔데믹 그리고 새로운 신/변종 바이러스 현장진단에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대되며, 스마트폰기반의 진단기술과의 결합을 통해 질병의 발현 정도를 정량적으로 판단하는 미래형 스마트 진단기기로의 발전 가능할 것으로 예상됩니다.

2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁드립니다.

저는 광운대학교 전기공학과 이정훈 교수님 연구실인 Bioelectronics & Sensor Lab (BSL)에서 연구를 진행하였습니다. 저희 랩은 전자전기, 기계, 화공, 생명 등 다양한 분야의 사람들이 모여서 연구실 단위에서만 국한된 기술이 아닌 실제 현장에까지 적용할 수 있는 기술에 대한 고민을 많이 하고 있으며 교수님의 적극적인 지도하에 논문뿐만 아니라 많은 특허와 기술이전까지도 범위를 확장해가고 있습니다. 특히, 의학적 진단에서의 저비용, 고민감도, 현장성 등의 한계점을 극복하기 위해 나노 전기 동력학 또는 이온 선택적 필터 기반으로 시료의 전처리(농축 또는 분리)를 통한 진단의 새로운 플랫폼에 대한 연구를 진행중에 있으며 뿐만 아니라 머신러닝/딥러닝을 이용하여 현장 진단 기기의 성능을 향상시키는 연구 또한 병렬적으로 개발 중에 있습니다. 반도체, 센서, 바이오, 머신러닝 등 다양한 경험을 가지고 있는 사람들이 모여 연구를 하다 보니 서로의 관점에서 얻을 수 있는 의견과 조언 덕분에 굉장히 높은 시너지로 좋은 결과들이 만들어졌습니다. 또한 자유로운 분위기에서 학생들의 의견을 존중해주시는 교수님 덕분에 학생들이 좀 더 주도적으로 실험을 구상하고 연구의 스토리라인을 구성할 수 있어서 학위 과정 중에서 많은 것들을 배울 수 있었습니다. 연구실의 가장 장점으로 생각되는 부분은 고려대, 서울성모병원, Harvard, MIT 등 광범위한 협업 경험과 각 분야의 전문가분들과의 교류를 통해 직접 보고 느끼며 많이 성장할 수 있는 기회를 얻을 수 있다는 점이었습니다. 하고자 하는 의지가 있다면 많은 기회와 성과를 얻을 수 있는 연구실입니다.

3. 연구 활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람

저는 연구라는 경험을 대학교 4학년부터 학부연구생으로 지내며 바이오 센서에 대한 분야로 공부를 했었고 좋은 교수님들의 지도하에 개인적으로는 굉장히 이른 과정에서 첫 1저자 SCI 논문을 퍼블리쉬할 수 있었다고 생각합니다. 그리고 석사 과정을 보낸 연구실에서는 진단에 있어서 성능 향상을 위해 샘플의 전처리 과정인 바이오 마커로 해당되는 타겟 물질을 농축하고 불필요한 방해 요소인 물질들은 제거할 수 있는 기술을 연구하였었는데 학부연구생과 석사 학위 과정을 보내며 이전부터 계속 해왔던 나노 전기 동력학이라는 기존 기술의 한계점에 대해 타개할 수 있는 많은 방안들을 고민하였었고 저는 그 과정속에서 교수님들의 “물만 빼내서 농축을 해보자”라는 당시에는 사실 조금 이해가 가질 않았던 생각에 대해 고민과 실험을 해보며 추후에는 세포막을 활용한 아이디어를 통해 굉장히 높은 효율의 혁신적인 방안을 찾을 수가 있었습니다. 세포막이라는 재료를 통한 생체 시료 농축 필터 시스템이라는 남들이 해본적조차 없었던 분야를 각기 다른 분야의 사람들이 모여 하나하나 완성해나아가는 과정이 정말 큰 기회이자 값진 경험이었고 저 스스로에게는 뛰어난 분들과 같이 일을 진행할 수 있다는 자신감 또한 얻었기도 하였습니다. 제 지도 교수님이신 이정훈 교수님은 모든 일의 중심에서 학생, 박사님, 교수님 모두의 관점에서 생각해주셔서 연구라는 분야에 대해 힘든 부분도 당연히 있었지만 항상 웃으며 마무리 지을 수 있는 능력을 얻게 해주셨다고 생각합니다.

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

제가 연구했던 분야는 미래의 의료 시스템에 있어서 정말 필요하지만 일반 사람들에게는 가시성이나 직관성이 좀 떨어지는 분야라 어떻게 보면 마이너하다고 얘기할 수 있는 연구입니다. 하지만 인류 역사에서의 큰 불행이자 다시 보면 기회일 수 있는 COVID-19 팬데믹이라는 사태를 통해 우리는 수많은 생명 잃었지만 더 큰 위기를 대비할 수 있는 경각심을 얻었다고 생각합니다.

헬스 케어 분야는 우리에게 남아 있는 필수적인 해결 과제 중 하나임에 분명하고 건강 수명의 증진을 위해 많은 연구들이 진행될 것임은 확실합니다. 저의 짧은 식견으로는 쉽게 말씀을 드릴 순 없지만 굉장히 어려운 분야이고 많은 사람들의 다학제적인 연구의 공급이 절실하다고 생각합니다. 우리나라에서 바이오 분야, 특히 의과학, 의공학 분야가 그 잠재력에 비해 아직 부족한건 사실이지만 생각보다 정말 많은 사람들이 헌신적으로 연구를 진행중에 있고 미래가치성이 우수하다고 생각합니다.

5. 연구 활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?

현재는 포항공대에서 바이오와 전자를 융합할 수 있는 연구를 진행하고 있습니다. 다른 분야의 공부를 하다보니 정말 벅차고 힘들 때도 있었지만 항상 열심히 하고 서로 존중해주는 주변 사람들 덕분에 일찍 적응할 수 있었습니다. 바이오 전자 분야에 대해 그 전에 했던 바이오 센서와 세포들에 대한 경험들을 합쳐서 좀 더 배우고 이를 통해 융합 분야의 보틀넥을 해소할 수 있는 연구를 하여 미래 사회에 기여하고 싶습니다.

6. 다른 하시고 싶은 이야기들.....

개인적인 이야기인데 저는 제가 살아오면서 했던 행동들을 보면 한우물을 못 파는 성격인 것 같다는 생각을 합니다. 꽤 많은 취미들도 있었고 이것저것 해보고 싶은 욕심에 하나만 진득하게 하질 못 했었는데 그러한 단점과 경험들을 토대로 오히려 새로운 걸 빨리 배우는 스킬을 얻었다고 생각합니다. 어찌 보면 이러한 상황들이 쌓여서 이런 다학제간의 연구에서 재미를 느끼고 힘들지만 계속해서 앞으로 나아갈 수 있었을지도 모르겠습니다.

저에게 정말 많은 기회를 주시고 지도자로서 칭찬과 조언을 아끼지 않으셨던 이정훈 교수님께 이번 기회를 삼아 진심으로 존경한다는 말씀드리고 싶습니다. 또한 바로 곁에서 도움을 주신 유용경 교수님께서도 항상 학생 입장에서 생각해주셔서 감사했습니다. 질문드릴 때마다 좋은 조언을 주시고 자세하게 알려주셨던 서울 성모 병원의 조성연 교수님, 박철민 교수님 그리고 논문 구성을 잘 할 수 있도록 피드백 주셨던 윤대성 교수님, 이동택 박사님, 마지막으로 BSL 연구실 사람들 모두 같이 힘들게 연구하면서 놀 땐 또 재밌게 놀았던 기억들 항상 감사하고 즐거웠습니다.