정확도가 높은 신종 코로나바이러스 감염증(코로나19) 진단법인 실시간 중합효소연쇄반응(qPCR)의 검사 시간을 10분의 1로 단축한 기술을 국내 연구진이 개발했다.

한국과학기술원(KAIST, 카이스트)은 바이오및뇌공학과 정기훈 교수팀이 나노 플라즈모닉 구조(Nanostructures for Plasmonic)를 이용해 빠른 열 순환과 실시간 정량 분석이 가능한 초고속 PCR 기술을 개발했다고 7일 밝혔다.

나노 플라즈모닉 구조는 빛의 파장보다 작은 크기의 금속나노구조로 바이오 물질 검출이나 분자진단에 많이 응용된다.

표준화된 코로나19 진단법은 역전사 중합효소연쇄반응(RT-PCR)으로 바이러스 내부 유전물질인 RNA를 상보적 DNA로 역전사한 후 타깃 DNA를 증폭해 형광 프로브로 검출한다. 그러나 기존 방식은 검출 시간이 길고 고가의 대형장비를 갖춘 장소로 검체를 옮겨야 하는 한계가 있었다.

연구진이 개발한 ‘실시간 나노 플라즈모닉 PCR’은 백색 발광다이오드(LED)의 높은 광 흡수율을 갖는 나노 플라즈모닉 기판에 진공 설계된 미세 유체칩을 결합해 소량의 검체를 신속하게 증폭하고 정량적으로 분석해 바이러스를 단시간 내에 정확하게 검출할 수 있다.

나노 플라즈모닉 기판은 유리 나노 기둥 위 금 나노섬 구조로 가시광선 전 영역에서 높은 광 흡수율을 갖는다. 이에 백색 LED의 빛을 열에너지로 치환해 빠르게 열을 발생시키고 내보낼 수 있다. 여기에 진공 설계된 미세 유체칩을 결합했다.

샘플 한 방울을 칩에 넣으면 진공이 액체를 마이크로 챔버로 잡아당겨 자동으로 3분 이내에 주입되고, PCR 과정 동안에 발생하는 미세 기포는 공기 투과성 벽을 통해 제거돼 PCR 효율을 높인다는 게 연구진의 설명이다.

연구진이 코로나19 바이러스(SARS-CoV-2) 플라스미드 DNA를 사용해 검증한 결과, 40싸이클(95~60℃)을 5분 이내에 수행해 타깃 바이러스를 91%의 증폭 효율과 함께 정량적으로 검출했다. 기존 PCR 시스템은 1시간 정도 걸린다.

정 교수는 “실질적으로 현장에서 사용 가능한 초고속 분자진단법을 개발했다”며 “실시간 나노 플라즈모닉 PCR 기술은 현장에서 분자진단을 위한 차세대 유전자 증폭 플랫폼을 제공할 것이며 바이러스 확산 방지에 기여할 수 있을 것으로 예상한다”고 말했다.

KAIST 바이오및뇌공학과 강병훈 박사과정이 주도한 이번 연구 결과는 ‘Ultrafast and Real-time Nanoplasmonic On-Chip Polymerase Chain Reaction for Rapid and Quantitative Molecular Diagnostics’이란 논문으로 국제학술지 ‘ACS Nano’ 5월 19일자에 게재됐다.

이번 연구는 KAIST 코로나19대응 과학기술뉴딜사업단과 한국연구재단 개인연구지원사업, 바이오기술개발사업으로 수행됐다.