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▲ 기존 등온핵산증폭법(RCA, Rolling Circle Amplification)을 응용한 DI-RCA(Direct Insertion in RCA) 검출 프로세스. 표적 핵산이 증폭 템플릿 속으로 삽입되어 표적 서열 존재 여부에 따라 증폭 결과물이 다르게 형성되고, 이를 바탕으로 위양성 진단 예방 및 SNP(Single Nucleotide Polymorphism) 동시 검출이 가능하다. DI-RCA로 인해 일반 코로나바이러스는 LFA에서 세줄, 변이 코로나바이러스는 두 줄을 띄게 된다. ⓒ 고려대학교 제공
COVID-19(코로나19) 감염 진단과 함께 바이러스 변이 발생 여부까지 동시에 진단이 가능한 기술이 개발됐다.
고려대학교(총장 김동원)는 6일 공과대학 기계공학부 나성수 교수와 박진성 성균관대 교수, 장규환 호서대 교수, 류준석 금오공대 교수로 구성된 센서공동연구팀이 이같은 바이러스 변이 추적 센서를 개발했다고 밝혔다.
특히 고려대는 "(센서공동연구팀이) 세계 최초로 고민감도 검출 과정에 필수적인 핵산 증폭 과정에서 발생하는 정보 오류 가능성을 차단할 수 있는 증폭법을 설계해 위양성 없이 변이 바이러스의 검출 가능성을 확인했다"고 강조했다. 위양성(偽陽性, false positive)이란 본래 음성이어야 할 검사결과가 잘못돼 양성으로 나온 경우를 말한다.
통상 코로나 팬데믹 바이러스와 같이 전염성이 굉장히 높은 바이러스에 대해 적절히 대응하기 위해서는 빠르게 감염자를 식별하고 격리함으로써 바이러스의 확산을 차단하는 것이 중요하다. 이를 위해 진단 과정에서는 실제 음성 환자를 양성으로 진단하는 위양성 문제를 해결하는 것이 필수적이다.
더구나 바이러스에 변이가 발생할 경우 전염성이 증가하거나 기존 진단 및 면역 체계를 무시하는 등 치명적인 특성을 보일 수 있기 때문에 팬데믹 바이러스 발발 이후에는 바이러스 변이를 조기에 추적하는 것이 해결해야 할 숙제였다.
이에 따라 센서공동연구팀은 등온 핵산 증폭(RCA, Rolling Circle Amplification) 과정에서 발생할 수 있는 위양성 가능성을 차단할 수 있도록 설계한 새로운 증폭 기술(DI-RCA, Direct Insertion in RCA)을 개발했으며, 그 결과 바이러스의 핵산 검출에 성공했다.
개발된 검출 기술은 표적 핵산 서열을 그대로 복제하고 측방유동면역기법(LFA, Lateral Flow Assay)을 통해 신호 확인이 가능하며, 기존 핵산 증폭법과 달리 표적의 핵산 서열에 따라 결과가 달라지게 설계했다.
또한 센서공동연구팀은 "코로나 바이러스의 초기 변이 단계(알파, 베타, 감마 변이)가 약 2만9000개의 코로나바이러스 염기 서열 중 2만3063번째 염기가 Adenine에서 Thymine으로의 변이에 기인한다는 것을 파악했다"면서 "해당 SNP(Single nucleotide polymorphism, 단일 염기 변이) 존재 여부에 따라 다른 진단 결과를 나타냄으로써 동시 검출/진단 기술을 완성했다"고 설명했다.
덧붙여 "바이러스 감염 여부와 더불어 변이 여부까지 동시에 진단할 수 있게 설계함으로써 검출 기술의 강점을 더했다"고 부연했다.
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▲ 사진 왼쪽부터 이학범(제1저자, 고려대), 류준석 교수(제1저자, 금오공대), 장규환 교수(교신저자, 호서대), 박진성 교수(교신저자, 성균관대), 나성수 교수(교신저자, 고려대). ⓒ 고려대학교 제공
나성수 고려대 기계공학부 교수는 "이번 연구에서 제안하는 기술은 빠르게 변화하는 팬데믹 바이러스를 추적할 뿐만 아니라 다양한 질병에도 응용할 수 있는 초석 연구로 활용될 가능성이 크다"라고 기대했다.
류준석 금오공대 교수는 "이번 연구를 기반으로 COVID-19뿐 아니라 새롭게 생길 수 있는 다양한 팬데믹 바이러스를 위양성 없이 검출할 수 있는 멀티 센싱 플랫폼을 구축할 수 있도록 연구에 정진하고자 한다"고 포부를 전했다.
한편, 이번 연구는 한국연구재단(공학 분야 선도연구센터, 개인기초연구사업, 지자체-대학 협력 기반 지역혁신 사업)과 한국환경산업기술원의 환경기술개발사업의 지원을 받아 수행했다. 연구 결과는 분석 화학(Chemistry, Analytical) 분야 상위 2.3% 국제학술지인 <Biosensors and Bioelectronics>(IF 12.6)에 2월 27일자 온라인 게재됐다.
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