한국생명공학연구원(원장 권석윤, 이하 생명연) 바이오나노연구센터 강태준 박사 연구팀은 우의전, 박광현 박사팀과 공동으로 바이러스 유전자를 증폭하는 복잡한 과정 없이도 극미량의 바이러스 RNA를 바로 찾아낼 수 있는 새로운 CRISPR 진단기술을 개발했다고 밝혔다. 이번 기술은 기존 PCR 진단의 한계를 뛰어넘어, 더 빠르고 간편하면서도 정확한 감염병 진단을 가능하게 하는 차세대 플랫폼으로 평가되고 있다.

지금까지 널리 사용된 PCR 방식은 바이러스 유전자를 여러 번 복사해야 하기 때문에 전문 장비와 숙련된 인력 그리고 긴 검사 시간이 필요했다. 감염병이 급속히 확산될 때 이 같은 절차가 현장에서 신속한 진단을 어렵게 만드는 주요 요인이었다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 최근 주목받는 새로운 CRISPR 효소인 ‘Cas12a2’에 집중했다 이 효소가 바이러스를 어떻게 인식하고 반응하는지를 하나씩 밝히면서, 가장 잘 작동하는 조건을 찾아냈다.

이 기반 연구를 바탕으로 결국 유전자를 증폭하지 않아도 극미량의 바이러스 RNA를 직접 감지할 수 있는 새로운 진단 기술을 만들어내는 데 성공했다.

Cas12a2의 가장 큰 장점은 더 정확하고 더 적은 양의 바이러스도 찾아낼 수 있다는 점이다. 이 효소는 바이러스 RNA가 맞는지 두 번에 걸쳐 확인하는 방식으로 작동해 엉뚱한 신호에 속을 가능성을 크게 줄인다. 또한, 목표를 찾으면 주변 분자를 빠르게 여러 번 자르는 성질이 있어 아주 약한 신호도 포착할 수 있도록 도움을 준다.

연구팀은 이 기술로 코로나19 바이러스를 얼마나 정확하게 찾아낼 수 있는지 확인하기 위해 바이러스 유전체를 분석해 바이러스를 인식하는 11가지 도구(crRNA)를 만들었다.

여러 조합을 시험한 결과, 서로 다른 네 가지를 함께 사용할 때 가장 뛰어난 성능을 보였다. 하나만 사용할 때보다 네 가지를 동시에 쓰면 바이러스를 찾는 정확도와 민감도가 크게 높아진 것이다.

그 결과, 기존보다 최대 1,000배 더 적은 양의 바이러스도 검출할 수 있었으며, 실제로 1 fM(펨토몰, 1천조 분의 1몰 수준의 극미량) 수준까지 탐지가 가능했다. 

극미량의 바이러스까지 찾아낼 수 있는 성능이 확인된 뒤에는, 이러한 기술이 실제 감염 상황에서도 그대로 적용될 수 있는지 확인하는 검증이 이어졌다.

먼저 다양한 코로나19 변이를 대상으로 시험한 결과, 알파·델타·오미크론 등 26종의 변이를 모두 정확히 검출했으며, 감기를 일으키는 일반 코로나바이러스·독감·MERS 등 다른 바이러스에는 전혀 반응하지 않아 목표 바이러스만 골라내는 높은 선택성이 확인되었다.

이어 실제 병원에서 확보한 245건의 환자 검체를 분석한 결과, PCR 검사와 민감도·특이도 100% 일치하는 정확도를 보였고, 40건의 블라인드 테스트에서도 모든 시료를 정확히 판별해 임상 현장에서도 신뢰할 수 있는 기술임이 다시 한번 입증되었다.

이 기술은 RNA를 따로 추출하는 번거로운 과정까지 생략할 수 있다는 점에서도 큰 의미가 있다. 단순한 열처리와 용액 처리를 거치면 바로 검사가 가능해져 공항·항만, 학교, 군부대 등 빠른 판단이 필요한 현장에 특히 유용하다. 휴대용 장비에서도 정상적으로 작동해 현장형 감염병 진단 기술로의 활용 가능성도 높다.

연구책임자 강태준 박사는 “유전자 증폭 없이도 바이러스 RNA를 정확하게 찾아낼 수 있다는 점에서 이번 기술의 의미가 크다”라며, “이를 기반으로 독감·RSV·항생제 내성균 등 다양한 감염병 진단으로 기술을 확장해 나갈 계획이다”라고 밝혔다.

한편, 이번 연구 성과는 세계적인 과학 저널인 Nucleic Acids Research (IF 13.1)에 11월 24일 온라인 게재되었으며, (논문명 : CRISPR/Cas12a2 enables ultra-sensitive amplification-free RNA detection / 교신저자 : 우의전(생명연), 박광현(생명연), 강태준(생명연) / 제1 저자 : 장효원, 강주은)

과기정통부 한국연구재단 기초사업, 국가과학기술연구회 융합사업, 생명연 주요 사업 지원으로 수행되었다.

□ 연구내용
 ○ 연구진은 유전자 증폭 과정 없이도 바이러스 RNA를 직접 검출할 수 있는 CRISPR/Cas12a2 기반의 고감도 진단 플랫폼을 개발하였으며, 이를 통해 기존 PCR 진단의 복잡성과 시간 소요 문제를 해결할 새로운 가능성을 제시함
 ○ Cas12a2 단백질의 활성을 극대화하기 위해 pH, 이온 강도, 온도 등 생화학적 조건을 최적화하였으며, 특히 표적 RNA 인식과 PFS(인접 서열) 식별이 동시에 이루어져야 활성화되는 Cas12a2의 특성을 활용하여 진단의 정확도를 높임
 ○ 단일 crRNA를 사용할 때보다 여러 개의 crRNA를 조합하여 사용할 때 검출 감도가 획기적으로 향상됨을 확인하였으며, 최적화된 4종의 crRNA 조합(Quadruplex crRNA)을 적용했을 때 단일 crRNA 대비 약 1,000배 향상된 민감도를 달성함
 ○ 개발된 진단 기술은 46.7 aM(아토몰) 수준의 극미량 바이러스 RNA까지 검출할 수 있는 초고감도 성능을 입증하였으며, 이는 별도의 유전자 증폭 없이도 현존하는 최고 수준의 감도를 확보했음을 의미함
 ○ 알파, 델타, 오미크론 등 26종의 다양한 코로나19 변이 바이러스를 정확하게 검출하는 반면, 인플루엔자나 메르스(MERS) 등 다른 호흡기 바이러스와는 반응하지 않아 높은 특이성을 검증함
 ○ 실제 환자 검체 245건을 대상으로 한 임상 검증에서 기존 PCR 검사 결과와 100% 일치하는 정확도(민감도 및 특이도 100%)를 보였으며, 별도의 RNA 추출 과정 없이 간단한 열처리만 거친 검체에서도 바이러스 검출이 가능함을 입증하여 현장 진단 기기로서의 활용 가능성을 확인함

□ 연구성과의 의미
 ○ 유전자 증폭 없는(Amplification-free) 차세대 진단 플랫폼 구축
   - 복잡한 유전자 증폭 과정과 고가 장비가 필수적이었던 기존 PCR 방식의 한계를 극복하고, 현장에서 신속하고 간편하게 감염 여부를 확인할 수 있는 기술적 토대를 마련함
 ○ 세계 최고 수준의 초고감도 검출 기술 확보
   - 다중 crRNA 전략을 통해 아토몰(aM) 단위의 극미량 바이러스까지 검출할 수 있는 기술력을 확보하였으며, 이는 기존의 Cas13a 기반 진단 기술보다 우수한 감도이자 증폭 기반 진단 기술에 버금가는 성능임
 ○ 현장 진단(POCT) 및 펜데믹 대응 능력 강화
   - RNA 추출 과정을 생략할 수 있고 휴대용 장비에서도 구동이 가능하여 공항, 항만, 학교 등 현장에서 즉각적인 진단이 가능함. 이는 향후 신종 감염병 발생 시 신속한 방역 체계 구축에 기여할 것으로 기대됨
 ○ Cas12a2의 진단적 유용성 및 범용성 입증
   - 상대적으로 연구가 부족했던 Cas12a2 단백질의 작동 기전과 최적화 조건을 규명하고, 이를 실제 임상 진단에 성공적으로 적용함. 표적 crRNA만 교체하면 독감, 슈퍼박테리아 등 다양한 질병 진단으로 확장이 가능한 범용 플랫폼 기술임