지난달 11일, 바이오및뇌공학과 정기훈 교수 연구팀이 코로나19 바이러스를 95% 이상의 정확도로 현장에서 진단할 수 있는 플라즈모닉(Plasmonic) 핵산 분석 시스템을 개발했다고 밝혔다. 강병훈 박사과정이 주도한 이번 연구에는 나노종합기술원과 ㈜오상헬스케어가 공동연구로 참여했으며, 연구 결과는 ‘ACS Nano’에 게재되었다.
 

플라즈모닉 핵산 분석 시스템의 개발

전염병 바이러스의 확산을 방지하기 위해서는 바이러스를 빠르고 정확하게 검출하고 진단할 수 있어야 한다. 지금까지 사용되어 온 RT-qPCR 시스템은 체내의 RNA 바이러스를 cDNA로 변환한 뒤 이를 증폭해 실시간으로 정량화하는 기술로, 속도가 느리고 장비의 크기가 커서 현장에서 사용하기에는 어려움이 있었다. 반면 현장 진단 검사는 신속 항원 검사에 국한되어 상대적으로 진단의 정확성이 낮다는 한계가 있었다. 이에 따라 연구팀은 PCR보다 빠르면서 신속항원검사보다 정확도가 높은 핵산 분석 시스템을 개발하게 되었다.

연구팀이 개발한 초고속 초소형 플라즈모닉 핵산 분석 시스템은 손으로 들 수 있을 정도로 작고 가볍다. 카트리지를 삽입하고 버튼을 누른 뒤 10분 정도 지나면 본체에 있는 모니터에서 결과를 확인할 수 있다. 정확도 역시 코로나19 바이러스 기준 95% 이상으로 높다.
 

마이크로 나노기술을 접목한 시스템

플라즈모닉 핵산 분석 시스템에는 세 가지 주요한 마이크로 나노기술이 사용되었다. 먼저, 소자 형태의 플라즈모닉 열 순환기는 나노 플라즈모닉 구조와 백금박막 저항 온도센서가 결합되어 만들어졌다. 나노 플라즈모닉 구조는 유리 나노 기둥 위에 높은 광 흡수와 광분산 효율을 갖는 금(Au) 입자를 금나노섬(Gold nanoisland) 구조로 증착한 구조물이다. 이 구조는 가시광선 전 영역에서 광 흡수율이 매우 높아 백색 LED의 빛을 빠르게 열로 치환할 수 있다. 이에 따라 온도 상승 속도가 대폭 향상되어 PCR에 사용되는 온도를 초고속으로 순환할 수 있게 된다. 상단에 위치한 백금박막 저항 온도센서는 실시간으로 표면 온도를 측정하는 역할을 한다.

다음으로, 알루미늄 박막 카트리지는 사출 성형된 플라스틱 미세 유체 칩과 알루미늄 박막을 결합해 만들어졌다. 여기서 알루미늄은 두께가 얇고 열전도율이 높아 플라즈모닉 열 순환기로부터 발생한 빛과 열을 반응 용액에 효율적으로 전달할 수 있다. 또한, PCR 과정에서 증폭된 핵산을 측정하기 위해서는 형광 물질을 정량화해야 하는데, 이때 반응 용액에서 방출된 형광을 다른 빛이 침범하는 광학적 누화 현상이 일어난다. 알루미늄 박막은 빛 반사율이 매우 높아 광학적 누화 현상을 해결할 수 있다. 더불어, 알루미늄을 사용함으로써 나노소재의 재사용률을 높이고 비용 효율을 극대화했다.

마지막으로, 곤충 눈을 모사한 마이크로렌즈 어레이 형광 현미경은 초점거리의 한계를 극복해 10mm의 초근접 거리에서 형광 이미지를 촬영할 수 있게 제작되었다. 형광 시스템의 전체 크기 역시 대폭 축소되었다. 이에 따라 핵산이 증폭되는 동안 증가하는 유전자를 실시간으로 정량화할 수 있을 뿐만 아니라, 분석 시스템의 크기 자체를 축소할 수 있었다.
 

현장 진단에 적합한 시스템

연구팀은 현재 이번 연구를 통해 개발한 시스템을 상용화하기 위해 필요한 기술을 개발하고 있다. 코로나19 바이러스 검출을 위해서는 통상 2개의 유전자를 검사해야 하므로 다중 진단 시스템 개발이 특히 중요한 과제이다. 플라즈모닉 핵산 분석 시스템은 크기와 속도, 비용 면에서 현장 진단에 매우 적합하므로 향후 다중 이용 시설 등의 방역 현장에서 바이러스 진단에 널리 활용될 것으로 기대된다.

마지막으로 강 박사과정은 “대학원 과정은 어떤 문제가 닥쳤을 때 문제를 해결할 수 있는 방법을 배우는 과정이다”라며, “어떤 연구 과정을 거쳤든지 박사과정을 마쳤다면 모두가 해결 과정을 경험한 가치 있는 박사과정인 것 같다”고 덧붙였다.