한국생명공학연구원(원장 김장성, 이하 생명연)은 국가영장류센터 홍정주 박사와 성균관대학교 권오석 교수, 한국과학기술연구원(원장 윤석진, 이하 KIST) 송현석 박사 공동 연구팀이 다종의 호흡기 바이러스를 현장에서 신속하게 검출할 수 있는 플랫폼을 개발하는 데 성공하였다고 밝혔다.

이를 통해 향후 코로나-19와 같은 신‧변종 감염병 발생 시 진단 기기를 개발하는데 필요한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대되고 있다. 감염병의 발생은 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 하나는 이미 발생한 감염병이 적절한 환경에서 다시 유행하는 것이고, 다른 하나는 지금껏 없던 신종 감염병이 발생하는 것이다. 

2002년 발생한 중증급성호흡기증후군(SARS, 사스), 2012년 발생한 중동호흡기증후군(MERS, 메르스) 그리고 2019년 발생한 코로나바이러스감염증-19(COVID-19, 코로나-19)와 같이 21세기에 들어 크게 유행한 감염병은 호흡기 바이러스로 인한 신종 감염병이 주를 이루고 있다.
신종 호흡기 감염병이 발생하면 빠르고 정확하게 진단할 수 있는 진단기기가 필수적이지만 기존의 진단기기는 민감도와 특이도가 낮아 생활 속 현장 진단에서의 활용에는 제한이 있었다.

코로나 대유행을 겪으며 현장 진단 기기가 비약적인 발전을 이루었지만, 여전히 정확한 진단을 위해서는 PCR과 같은 별도의 검사가 필요한 실정이다. 이에 연구팀은 그래핀(graphene) 소재를 활용해 수십 초 만에 다수의 호흡기 바이러스를 고감도로 동시에 선별할 수 있는 현장 진단 플랫폼을 개발하였다. 

지금까지 개발된 그래핀 기반의 바이오센서는 적층 방식의 한계로 인해 외부인자를 받아들이는 수용체를 그래핀 소재와 결합하면 노이즈 신호, 극한 환경에서의 안정성 저하 등의 문제가 발생해 현장 진단에서 활용하기에는 제한이 있었다. 연구팀은 미세한 자극에도 패턴을 나타내는 다채널 트랜지스터를 기반으로 여러 종의 호흡기 바이러스를 선택적으로 검출할 수 있는 수용체와 함께 수용체의 신호를 간섭없이 그래핀에 전달할 수 있는 인터페이싱 화합물을 개발하였다.

또한, 그래핀에도 소재 특성의 변화 없이 표면을 박막 코팅하는 패시베이션 층을 형성하여 바이러스 수용체와 인터페이싱 화합물 그리고 그래핀 소재 간 적층 구조의 안정성을 확보하고 외부 환경에서도 성능 저하 없이 안정적인 신호전달이 가능한 센서를 제작하였다. 특히, 연구팀이 개발한 센서는 타액(침)에 별도의 전처리 없이 진단할 수 있어 편의성도 확보하였으며, 델타 및 오미크론에 감염된 영장류 모델을 통해 유효성을 검증하며 현장에서의 활용 가능성을 높였다. 

연구책임자인 생명연 홍정주 박사는 “영장류를 통해 유효성을 확인한 현장 신속진단 플랫폼을 개발한 만큼 앞으로 다가올 신종 호흡기 감염병 유행의 대비에도 도움이 되길 희망한다.”라며, “앞으로도 감염의 경로를 정확하게 확인할 수 있는 영장류 감염모델이 다양한 병원체 진단 기기 개발에 유용하게 활용되기를 기대한다.”라고 밝혔다. 

공동 교신저자인 성균관대 권오석 교수는 “이번에 개발한 플랫폼은 다종의 호흡기 바이러스를 동시에 빠르게 고감도로 모니터링할 수 있는 것으로 고위험군 전염병의 사전 확산 방지가 가능하기에, 추후 넥스트 팬데믹 상황에서 유연한 대응이 가능할 것으로 사료된다.”라고 말했다. 

공동 교신저자인 KIST 송현석 박사 역시 “고민감도 센서 플랫폼과의 융합을 통해 고성능 진단 기술 개발이 가능했고, 향후 신‧변종 감염병 확산 대응에 활용될 수 있을 것으로 기대한다.”라고 밝혔다.

이번 연구는 3월 1일 발행된 나노과학 분야의 세계적인 저널인 Advanced Materials(IF 29.4) 최신 호에 게재되었으며, (논문명 : Synchronous diagnosis of respiratory viruses variants via receptonics based on modeling receptor‒ligand dynamics / 교신저자 : 생명연 홍정주 박사, 성균관대 권오석 교수, KIST 송현석 박사 / 제1저자 : 생명연 서성은 학생연구원‧김경호 박사‧하시영 박사) 과기정통부 국가전임상지원체계구축사업, 농식품부·과기정통부·농진청 스마트팜다부처패키지 혁신기술개발사업, 환경부 환경기술개발사업, NST 창의형 융합연구사업, 나노종합기술원, 생명연 주요사업의 지원으로 수행되었다. 

연  구  결  과  개  요

□ 연구배경

○ 신종 코로나바이러스는 발병 이후 최소 215개국으로 확산하여 다양한 돌연변이 변종이 생성되었고 세계보건기구(WHO)는 우려 변종으로 알파, 베타, 감마, 델타, 오미크론을 지정하여 지속적인 모니터링을 해왔지만 새로운 변종의 유병률이 증가하고 이전의 우세한 변종에 비해 증가된 전염성으로 인해 새로운 감염률이 발생하였다.

○ 돌연변이 균주는 원래의 바이러스 균주에 비해 더 큰 복제 능력과 더 효율적인 확산뿐만 아니라 향상된 백신 저항성을 보였으며, 호흡기 바이러스의 진단과 그 변종 식별을 위한 다양한 방법론이 개발되었다.

○ 기존의 진단법과는 달리 다수의 바이러스를 동시에 진단이 가능하며, 전처리 없이 비강 검체에 대한 적용 가능성, 높은 민감도 및 외부 환경 노출 시에도 안정적인 검출 능력을 보이는 진단 기기의 개발 필요성이 부각되고 있다.

□ 연구내용

○ 본 연구팀은 리간드-리셉터 결합 반응을 기반으로 휴대용 전기화학 바이오센서를 개발하였으며, 다양한 종의 바이러스 (인플루엔자 바이러스 또는 코로나 바이러스)를 동시에 진단하기 위한 스크리닝 플랫폼으로 소형 전극에 미세 패턴이 있는 다채널 트랜지스터 제작을 기반으로 구현되었다.

○ 본 연구팀은 다양한 수용체와 변종 SARS-CoV-2 바이러스의 결합 친화도를 시뮬레이션 데이터로 비교하였으며, 그 결과를 바탕으로 변종을 구별하고 서로 다른 돌연변이 균주의 감염률을 확인하였다. 

○ 또한, COVID-19에 감염된 임상 샘플과 영장류 모델 샘플을 처리하였을 때 시료 속 간섭 물질의 존재에도 불구하고 새롭게 적용된 신규 인터페이싱 화합물의 표면 보호 효과를 통해 생체 물질로 인한 위양성 신호를 최소화하였다.

□ 연구성과의 의미

○ 코로나바이러스 변이주 및 호흡기 바이러스 종 현장형 진단 기기 개발 

- 본 연구는 전염성이 높은 질병의 광범위한 전염을 조기에 예방하는 데 사용할 수 있는 새로운 진단 도구를 제공하고 감염 초기에 있는 환자의 임상 샘플을 잠재적으로 선별하여 감염단계에 따른 치료전략의 개발에 활용될 것으로 기대된다.

연  구  결  과  문  답

이번 성과 뭐가 다른가

1. 정확한 감염단계를 파악하고 있는 영장류 감염모델 및 임상샘플을 활용하여 호흡기바이러스 감염 여부 진단용 현장 진단 기기를 개발

2. 변종 바이러스 구조체에 대한 리셉터의 선택적 결합 친화도를 시뮬레이션 데이터를 통해 규명하였으며, 이러한 결과를 기반으로 다종의 바이러스 구분이 가능한 센서 개발

어디에 쓸 수 있나

1. 다종의 병원균의 동시 진단이 가능한 현장 신속 진단 기기 개발을 통해 향후 팬데믹 상황에서 감염균의 식별이 가능한 플랫폼으로 활용 가능함.

실용화까지 필요한 시간은

본 연구 결과는 리셉터와 고감도 전도성 물질 기반의 병원균 진단 기기 개발 연구로서 실용화를 위해서는 플랫폼 제작 기술 개발 속도 및 병원균별 선택적 결합이 가능한 리셉터의 개발에 따라 실용화 소요 시간이 결정될 것

실용화를 위한 과제는

이번 연구를 통해 확인된 리셉터-리간드의 결합 친화도를 기반으로 추가적인 병원균에 대한 선택적 결합이 가능한 리셉터 개발 및 제작이 필요함.

연구를 시작한 계기는

기존의 현장 진단 기기는 단일종의 병원균에 대해서만 선택적으로 활용이 가능한 반면, 팬데믹을 일으키는 바이러스는 변종의 발병률이 높아 위음성의 가능성이 존재하기에 이를 예방하기 위해서는 동시 다중 진단이 가능한 플랫폼의 개발이 필요하다고 판단되었음.

에피소드가 있다면

연구를 진행하면서 기개발된 플랫폼의 실제 적용 가능성을 확인하기 위해 영장류 감염 모델 및 임상 샘플의 수득이 어려워 국가영장류센터 및 경북대학교병원과의 공동연구를 통해 성공적인 결과를 얻을 수 있었음.

꼭 이루고 싶은 목표는

본 연구에서는 호흡기 바이러스에 대해서만 적용을 하였지만 추후 보편적인 치명적 바이러스 진단 기기의 개발에까지 연구 범위를 확장하여 다음 팬데믹 상황에서의 현장 진단 플랫폼으로 활용하고자 함.

신진연구자를 위한 한마디

기초 연구 분야 이외에도 실생활에서 개발이 시급하다고 여겨지는 분야로까지의 관심을 확장시켜 융복한 연구를 통해 다양한 분야의 연구진들과 교류를 통해 새로운 응용 분야 개발에 힘쓰기를 응원합니다.

그림 1. 신‧변종 호흡기 바이러스 현장 동시진단 개략도 [사진=한국생명공학연구원]
호흡기 바이러스의 동시 다중 진단이 가능하도록 다채널의 그래핀 트랜지스터 표면에 선택적으로 바이러스 검출이 가능한 수용체를 고정화하여, 바이러스와의 반응 시 일어나는 전기 신호를 전달함

그림 2. 코로나바이러스 변이주를 활용한 수용체 검출 시뮬레이션 [사진=한국생명공학연구원]
알파, 델타, 오미크론 등 코로나바이러스 변이주와 ACE2 및 NRP-1 수용체 간 상호작용을 시뮬레이션하여 검출 가능성을 검증함

그림 3. 신‧변종 호흡기 바이러스 현장 신속진단 센서와 그래핀 트랜지스터 표면 이미지 [사진=한국생명공학연구원]
다양한 종의 호흡기 바이러스(인플루엔자, 코로나 등)를 동시에 진단하기 위한 스크리닝 플랫폼으로 그래핀 표면에 결합한 수용체의 수에 따라 검출 가능한 타겟 바이러스 수가 달라짐

그림 4. 코로나바이러스 알파(왼쪽) 및 델타(오른쪽) 변이주를 이용한 현장 신속진단 플랫폼 유효성 검증 [사진=한국생명공학연구원]
코로나 바이러스 변이주 배양액(윗쪽)과 영장류 감염 모델의 타액(아랫쪽) 모두20초 내외로 패턴의 변화를 나타내어 유효성을 확인함