생명연, 바이러스 신속진단 그래핀 바이오센서 개발

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[아이뉴스24 최상국 기자] 한국생명공학연구원(원장 김장성)이 그래핀 소재를 활용해 수십 초 만에 여러 종류의 호흡기 바이러스를 고감도로 동시에 선별할 수 있는 현장 진단 플랫폼을 개발했다.

18일 생명연 국가영장류센터 홍정주 박사와 권오석 성균관대학교 교수, 송현석 KIST 박사 공동 연구팀은 다종의 호흡기 바이러스를 현장에서 침(타액)으로 신속하게 검출할 수 있는 플랫폼을 개발하고, 영장류 모델을 활용해 검증하는 데 성공했다고 밝혔다.

향후 코로나-19와 같은 신·변종 감염병 발생 시 진단 기기를 개발하는데 필요한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

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

신종 코로나바이러스는 발병 이후 최소 215개국으로 확산해 다양한 돌연변이 변종이 생성됐다. 세계보건기구(WHO)는 우려 변종으로 알파, 베타, 감마, 델타, 오미크론을 지정해 지속적인 모니터링을 해왔지만 새로운 변종의 유병률이 증가하고 이전에 비해 전염성도 증가하고 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.

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 화합물(그래핀과 수용체를 연결해주는 링커 역할의 화합물)을 개발했다.

또한, 그래핀에도 소재 특성의 변화 없이 표면에 박막을 형성해 위양성 신호전달을 방지하고, 바이러스 수용체와 인터페이싱 화합물 그리고 그래핀 소재 간 적층 구조의 안정성을 확보해 외부 환경에서도 성능 저하 없이 안정적인 신호전달이 가능한 센서를 제작했다.

특히, 연구팀이 개발한 센서는 타액(침)에 별도의 전처리 없이 진단할 수 있어 편의성도 확보했으며, 델타 및 오미크론에 감염된 영장류 모델을 통해 유효성을 검증하며 현장에서의 활용 가능성을 높였다.

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

이 연구는 3월 1일 발행된 나노과학 분야 국제학술지인 어드밴스드 머틱리얼즈(Advanced Materials) 최신 호에 게재됐다. (논문명 : Synchronous diagnosis of respiratory viruses variants via receptonics based on modeling receptor‒ligand dynamics)

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