복잡한 과정 없이 질병의 조기 진단을 가능하게 하는 일회용 전처리칩(Biporous silica nanofilm-embedded sample preparation chip, BSNFs-chip)이 개발됐다. 

한국연구재단(이사장 이광복)은 이준석 교수(한양대학교), 신용 교수(연세대학교), 곽노균 교수(한양대학교) 공동연구팀이 나노소용돌이(nano-vortex)*로 병원체 및 핵산**의 농축 및 추출 효율을 향상시켜 조기에 질병을 검출할 수 있는 일회용 칩을 개발했다고 밝혔다.
* 나노소용돌이(nano-vortex): 나노 스케일에서 발생하는 유체의 소용돌이 또는 와류 현상.
** 핵산 : 모든 생명체에 필수적인 생체고분자(biopolymer) 물질로 DNA와 RNA라는 두 가지 유형으로 나뉨. 

현재 상용되고 있는 핵산 추출 기법의 경우, 복잡한 처리 과정으로 장시간 소요되고 오염 및 시료 손실의 위험 또한 많이 존재한다는 점에서 한계가 있었다. 특히, 무증상 혹은 전증상 기간 동안 추출되는 낮은 병원체 및 핵산 농도는 질병의 검출 및 조기 진단을 어렵게 했다. 

연구팀은 기존 핵산을 추출하는 방법으로 사용됐던 표면 결합 메커니즘*의 한계를 해결하기 위해 기존의 미끄러운 미세 유체칩에 3차원 미세기공을 갖춘 나노구조 필름을 부착, 비표면적을 향상시킨 새로운 시료 전처리칩을 개발하는 데 성공했다.
* 표면 결합 메커니즘 : 컬럼, 비드, 또는 마이크로플루이딕 채널 같은 고체 표면에 핵산을 부착시키는 방으로 매끄러운 표면의 마이크로플루이딕 칩에서 결합 효율성을 높이는 데 제한이 있음. 

새로운 나노구조 필름은 기공 내 나노소용돌이를 생성해 유체의 역학적 흐름을 촉진시키고, 입자와 표면 간의 충돌을 증가시켜 병원체 및 핵산의 포획 효율을 크게 향상시켰다. 여기에 병원체 및 핵산을 안정적으로 포획 및 분리하는 과정을 개선해 칩에 적용했다. 

개발된 전처리칩으로 수행한 PCR 분석 결과, 기존의 핵산 추출법보다 100배 더 높은 감도를 달성할 수 있었다. 더불어, LRET(Luminescence resonance energy transfer)* 분석법을 활용해 COVID-19를 신속하고 간편하게 검출하는 방법을 개발했으며, PCR 분석 없이도 개발된 칩과 분석법을 이용하면 시료 전처리부터 결과 도출까지 50분 이내에 결과를 제공받을 수 있다.
* LRET(Luminescence resonance energy transfer) : 발광 공명 에너지전달. 수 nm 거리 내에 위치한 두 나노 소재 간에 일어나는 에너지 전이 현상으로, 타겟 핵산이 있을 때 두 나노 소재의 거리가 가까워지면서 에너지 전달이 유발되고, 이 때 나노 입자의 발광 신호 세기 변화를 통해 타겟 핵산을 검출할 수 있음. 

연구팀은 이번 연구 결과에 대해 “빠르고 정확한 진단이 필수적인 현재의 보건 위기 상황에서 감염병 대응 능력을 크게 향상시킬 것으로 기대된다”며, “향후 다양한 병원체에 대한 진단뿐만 아니라, 보다 넓은 범위의 의료 분야에 응용될 수 있을 것으로 보인다”고 밝혔다. 

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 이공분야 기초연구사업(중견연구자지원사업)과 원천기술개발사업(바이오의료기술개발사업)의 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’에 2월 14일 게재되었다. 

주요내용 설명

<작성 : 한양대학교 화학과 이준석 교수>

논문명

Biporous silica nanostructure-induced nanovortex in microfluidics for nucleic acid enrichment, isolation, and PCR-free detection

저널명 

Nature Communications

키워드 

Biporous(이중 다공성); Nanovortex(나노 소용돌이); Microfluidic(미세유체), Sample preparation(시료 전처리); Biosensor (바이오센서)

DOI

https://doi.org/10.1038/s41467-024-45467-w

저  자

이준석 교수(교신저자/한양대학교), 신용 교수(교신저자/연세대학교), 곽노균 교수(교신저자/한양대학교), 전은영 박사과정(제1저자/한양대학교), 구본한 박사(제1저자/연세대학교), 김수연 박사과정(제1저자/한양대학교), 김지은(한양대학교), 유연욱(한양대학교), 장효원(한국생명공학연구원), 이민주(연세대학교), 김성한(서울아산병원), 강태준 박사(한국생명공학연구원), 김상경 박사(한국과학기술연구원)

1. 연구의 필요성

 ○ 핵산 기반의 진단 방법은 암, 유전 질환, 감염병 등의 정확하고 민감한 탐지에 필수적이다. 특히 감염병에서 PCR(Polymerase Chain Reaction) 같은 분자진단 기술이 중요한 역할을 한다. 이 기술은 증상 발현 후 바이러스 유전체의 빠른 축적을 통해 조기 진단을 가능하게 한다. 그러나 무증상 혹은 전증상 기간 동안의 낮은 병원체 농도는 검출 및 진단에 어려움을 제시한다. 현재 상업적 핵산 추출 방법은 주로 표면 결합 메커니즘에 의존하며, 이 방법은 컬럼, 비드, 또는 마이크로플루이딕 채널 같은 고체 표면에 핵산을 부착시키는 방식이다. 이 기술들은 특히 매끄러운 표면의 마이크로플루이딕 칩에서 결합 효율성을 높이는 데 제한이 있는데, 이는 제한된 결합 사이트와 미끄럼 경계 조건 때문이다. 이 문제를 해결하고자, 연구팀은 기존의 미세 유체칩에 3차원 다공성 나노구조를 통한 표면 면적 증가 및 유체 흐름 개선이라는 새로운 접근 방식을 제안한다. 

 2. 연구내용 

 ○ 본 연구에서는 이중 다공성 실리카 나노필름 기반의 시료 전처리 칩을 개발하고, 이를 활용해 LRET(Luminescence resonance energy transfer, 발광 공명 에너지전달) 분석을 통한 농축된 핵산 시료의 효율적인 검출 방법을 소개한다.

 1) 작은 기공 및 큰 기공을 갖는 이중 다공성 실리카 나노필름의 구조는 나노소용돌이 흐름을 생성해 유체의 역학적 흐름을 촉진시키고, 입자와 표면 간의 충돌을 증가시켜 포획 효율을 높인다. 

 2) 이 칩은 정전기적 인력을 통해 병원체와 핵산을 표면에 포획 및 분리하며, 이 과정에서 카오트로픽 제제의 사용 없이 핵산의 안정성을 유지한다. qRT-PCR 분석을 통해, 개발된 칩은 기존의 컬럼 방식의 핵산 추출법보다 100배 더 높은 감도를 달성하였다.

 3) 본 연구는 나노입자 기반 LRET 분석을 이용해 SARS-CoV-2를 신속하고 간편하게 검출하는 방법을 개발했으며, 이는 복잡한 과정 없이 50분 이내에 결과를 제공한다.

 ○ 이 연구는 PCR 없이도 낮은 병원체 농도에서 정확한 진단을 가능하게 하여 감염병 진단에 중요한 발전을 가져올 것으로 기대된다.

3. 연구성과/기대효과

 ○ 개발된 전처리 칩은 이중 나노구조 필름을 사용해 개발된 새로운 시료 준비 칩으로, 기존 평평한 표면 대비 약 1863% 증가된 표면적과 향상된 유체 흐름을 제공한다. 이 칩은 작은 및 큰 기공을 통해 나노소용돌이를 생성해 핵산 분리를 개선하며, 실험과 시뮬레이션을 통해 병원체와 핵산의 효과적인 농축 및 분리 능력이 입증되었다. 개발된 전처리 칩은 1달러 미만의 비용으로 제작되어 비용 효율적이며, 구조적 안정성을 유지하면서 다회 사용이 가능하다.

 ○ 본 연구는 개발된 전처리 칩이 기존 방법 대비 100배 낮은 검출 한계를 달성함으로써, 특히 낮은 병원체 농도에서도 감염병의 효율적인 검출을 가능하게 한다. 또한, 나노입자 기반 LRET 분석법과의 통합은 SARS-CoV-2 검출을 포함한 감염병 진단에서 PCR을 사용하지 않는 접근 방식을 제공해, 100.0%의 민감도로 양성 및 음성 시료를 성공적으로 구별한다. 이는 감염병 진단의 시간을 단축시키고 정확도를 높이는 혁신적인 방법으로, 더 넓은 범위의 병원체 탐지로의 확장 가능성을 제시한다.

나노소용돌이를 발생하는 이중 나노구조 필름이 내장된 일회용 핵산 전처리 칩과 시료 전처리 과정의 모식도
이중 나노구조 필름이 내장된 시료 전처리 칩; 나노필름 내부에서 나노소용돌이에 의한 핵산 농축 및 추출; 전처리된 시료를 이용한 질병 진단.
그림설명 및 그림제공 : 한양대학교 이준석 교수

<작성 : 한양대학교 화학과 이준석 교수>

□ 연구를 시작한 계기나 배경은? 

본 연구는 기존 전처리 칩의 제한된 표면적 문제를 해결하고, 낮은 농도의 병원체를 신속하고 민감하게 검출하기 위해 시작되었다. 이를 위해, 3차원 나노구조를 활용해 표면적을 확장하는 기술을 개발, PCR 없이도 핵산을 효과적으로 분리 및 검출할 수 있는 새로운 시료 전처리칩을 고안했다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

이 연구를 통해 서로 다른 크기의 기공을 갖는 독특한 이중 나노구조 필름을 개발했다. 이 나노구조 필름은 대면적 PET 필름에 쉽게 적용할 수 있으며, 이를 활용해 시료 전처리칩을 제작했다. 이중 나노구조 필름은 표면적을 기존 평평한 표면에 비해 18배 증가시켜, 바이러스 및 병원균 포획 효율을 대폭 향상시켰다. 유체 시뮬레이션을 통해 나노소용돌이 현상이 발생하며, 이는 단일 기공을 가진 나노구조 대비 10배 더 활발한 미끄러짐 현상을 유도한다. 이러한 현상은 입자들이 필름 표면에 더 가까워지게 하여 타겟 물질의 접근성과 포획 가능성을 높인다. 연구팀은 표면 처리 기술을 통해 병원균과 핵산을 정전기적 인력으로 성공적으로 포획했으며, 이후 용출 버퍼를 사용해 이들을 효과적으로 농축하고 추출했다. 특히, 카오트로픽제제를 사용하지 않음으로써 핵산의 안정성을 보장했다. 이 방법으로 추출된 샘플은 기존 컬럼 방식으로 추출된 샘플보다 100배 낮은 검출 한계를 달성했다. 복잡하고 시간이 많이 소요되는 전통적인 qRT-PCR 대신 LRET 분석법을 적용함으로써, 연구팀은 50분 이내에 빠르고 민감한 바이러스 검출을 가능하게 했다. 이러한 접근 방식은 100%의 민감도를 달성하여 바이러스 검출 분야에서의 새로운 기준점을 제안했다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가? 

본 연구에서 개발한 이중 나노필름은 기존 평면보다 18배 높은 표면적을 제공하고, 나노소용돌이를 통해 포획 및 농축 효율을 대폭 향상시켜, 컬럼 방식 대비 최대 100배 낮은 검출 한계를 달성했다. 추가로 LRET 분석법을 통합해 50분 이내에 100% 민감도로 시료를 전처리 및 검출하는 칩을 개발했다.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는? 

만약 연구 결과가 실용화된다면, 현재 SARS-CoV-2에 국한되지 않고, 다양한 감염병 바이러스의 검출에 활용될 수 있는 잠재력이 있어 실제 현장에서의 활용 가능성도 기대된다. 이를 위해서는, 본 연구 결과를 바탕으로 필요에 맞는 나노필름을 디자인 및 제작하는 연구가 필요하다.