GIST-서울대 공동 연구팀, 유전자 증폭과정·면역 표지 없이 신속 감지
색도 분석으로 환자 실시간 감염 진단…PCR·신속 진단 키트 대체 가능
국내 연구진이 색 변화와 색도 분석을 통해 코로나19 바이러스 감염 여부를 빠르게 감지하고 예측할 수 있는 바이오센서 플랫폼을 개발했다. 복잡한 중합효소 연쇄 반응(PCR) 검사와 정확도가 낮은 신속 진단 키트를 대체할 수 있는 차세대 바이러스 감지·진단 플랫폼으로 기대된다.
광주과학기술원(GIST·총장 김기선)은 송영민 전기전자컴퓨터공학부 교수팀이 김대형 서울대 교수팀과 공동으로 신속하고 정확하게 바이러스를 관찰·분석할 수 있는 바이오 컬러센서 플랫폼을 개발했다고 7일 밝혔다.
새로 개발한 바이오센서 플랫폼은 환자 감염 정도를 현미경 이미지 색상 분석으로 농도별 파악이 가능해 정확한 감염상태를 확인할 수 있다. 단순한 구조로 키트 형태로 제작이 가능하고 색상 변화를 직관적으로 판별해 일반 사용자들도 쉽게 감염 여부를 파악할 수 있다.
기존 유전자 증폭 및 표지 부착 과정 없는 바이러스 감지 방식은 바이러스가 부착됐을 때 전기화학적 신호 변화로 바이러스를 감지한다. 복잡한 전극 구조와 별도 분석 장비가 필요하다는 단점이 있다. 직관적인 방식인 플라즈모닉 효과와 같은 광학 방식은 복잡한 나노 구조를 가져 제작이 어렵고 광학적 변화가 미세해 정확한 감지를 위한 광학 분석 장비가 필요하다.
최근 이를 극복하기 위해 단순한 필름형태 광학 구조로 개발되고 있지만 대부분 높은 굴절률 재료를 사용해 낮은 굴절률을 갖는 바이러스와 같은 바이오 입자를 감지하기 어려웠다.
연구팀이 개발한 바이러스 감지를 위한 '기레스-투르노이스(Gires-Tournois)' 공진 구조는 낮은 굴절률 층과 금속 반사 층 사이에 다공성 복소 굴절률 층을 삽입해 자유롭게 광학 특성을 변조했다. 낮은 굴절률 층에서 느린 빛 효과를 갖는 단일 흡수를 구현했다.
특히 항체 고정을 위한 간단한 표면 처리를 통해 항원-항체 반응으로 유전자 증폭 및 표지 부착 없이 직관적으로 매우 낮은 농도의 바이러스를 감지했다. 현미경 스캐닝을 통한 색도 분석으로 감지 영역 내에서 바이러스 입자 분포 및 밀도 도출에도 성공해 정량적 분석이 가능한 바이오센서 플랫폼을 개발했다.
송영민 교수는 “바이러스를 색상변화로 관찰할 수 있도록 한 첫 사례로 의료진은 현미경 관찰 및 색도 분석을 통해 바이러스의 정확한 농도를 매우 빠르게 알 수 있다”면서 “다양한 바이러스 및 유해인자를 동시에 검출하는 것도 가능해 머지않아 일반인이 육안으로 바이러스를 식별할 수 있도록 할 것”이라고 말했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 나노 및 소재 기술개발사업, 미래소재디스커버리사업, 기초연구실사업, 학문 후속세대지원사업, 세종과학펠로우십, 지스트 GRI사업 및 기초과학연구원의 지원으로 이뤄졌다. 연구 결과는 국제학술지 '어드밴스드 머트리얼즈'에 최근 온라인으로 게재됐다.
광주=김한식기자 hskim@etnews.com
