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"코로나19 현장서 단 17분내 진단"…초고속 '나노PCR' 기술 개발

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IBS 천진우 단장 "나노물질로 유전자 초고속 증폭·검출…정확도 기존 RT-PCR 수준"

(서울=연합뉴스) 이주영 정윤주 기자 = 신종 코로나바이러스 감염증(코로나19)을 현장에서 단 17분 안에 진단할 수 있는 초고속 '나노PCR'(nanoPCR) 기술이 개발됐다.

현재 코로나19 확진에 사용되는 '실시간 역전사 유전자 증폭방식'(RT-PCR)과 비슷한 정확도로 검사할 수 있다.

기초과학연구원(IBS) 나노의학연구단(단장 천진우 연세대 교수)은 3일 천 단장과 이재현 연구위원(연세대 고등과학원 교수)팀이 하버드의대 이학호 교수팀과 함께 나노자성물질을 이용해 코로나19 바이러스를 17분 안에 정확히 검출하는 현장진단(POC) 기술을 개발했다고 밝혔다.

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나노PCR 기술을 이용한 코로나19 바이러스 진단 과정
환자 시료에서 추출된 코로나19 바이러스 RNA는 나노PCR을 통해 역전사 및 유전자증폭, 검출과정을 거쳐 최종 코로나19 감염 여부를 진단하게 된다. 빠른 유전자증폭 및 검출을 위해 마그네토-플라스모닉 나노입자(MPN)을 사용해 기존 RT-PCR의 온도변화 사이클을 고속으로 구현하고, 이후 자기장에 의해 MPN이 스스로 분리돼 증폭된 유전물질의 형광신호가 검출되게 했다. [IBS 제공. 재판매 및 DB 금지]



현재 코로나19 검사에는 항체 기반 신속 진단키트와 RT-PCR이 사용되지만, 국내 확진에는 정확도가 높은 RT-PCR 방식이 표준방법으로 채택돼 활용되고 있다. 항체반응 진단키트는 진단 속도는 빠르지만, 정확도가 낮다.

그러나 현재의 RT-PCR 방식은 검체 채취에서 바이러스 검출까지 4시간 이상이 걸려 현장 대응이 어렵고, 고가의 대형 장비를 갖춘 병원이나 연구소 등으로 바이러스 검체를 운송해 진단해야 하는 등 시간과 비용이 많이 드는 문제점이 있다.

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마그네토-플라스모닉 나노입자(MPN) 개발: PCR 가열과 분리 검출 동시 가능
[IBS 제공. 재판매 및 DB 금지]



연구진은 RT-PCR의 이런 한계를 극복하기 위해 플라스모닉 금속 물질과 자성을 띠는 물질을 결합한 30~40㎚(나노미터 :10억분의 1m) 크기의 '마그네토 플라스모닉 나노입자'(MPN)를 개발, 유전자 증폭 시간을 대폭 단축하는 데 성공했다.

MPN은 특정 파장의 빛을 쪼이면 빛 에너지를 빠르게 열에너지로 바꿔주는 나노입자로, 바이러스 유전물질이 함유된 용액의 온도를 90℃ 이상으로 빠르게 상승시켜 분열을 촉진한다.

연구진은 바이러스 RNA를 추출한 뒤 이 열에너지를 활용해 초고속으로 온도를 올렸다 내리는 작업을 진행, 기존 RT-PCR에서 2시간 이상 걸리던 유전자 증폭 과정을 5분 이내로 줄였다.

MPN은 또 자성을 띠고 있어 증폭 과정이 끝난 뒤 외부에서 강한 자기장을 걸어주면 유전물질과 자동으로 분리되기 때문에 소량의 유전물질로도 정확하게 코로나19 바이러스를 검출할 수 있다고 연구진은 설명했다.

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기존 RT-PCR 검사 기기와 나노PCR 비교
[IBS 제공. 재판매 및 DB금지]



연구진이 나노PCR을 현장에서 사용할 수 있는 작고 가벼운 크기(15x15x18.5㎝. 3㎏)로 제작해 코로나19 확진자 75명과 대조군 75명 검체를 검사한 결과, 정확도는 99% 이상, 민감도는 3.2 copies/㎕로 기존 RT-PCR 방식과 비슷한 수준을 보였다.

천 단장은 "PCR 구동 방법을 개량하고 소형화해 코로나19를 현장에서 손쉽고 신속하게 진단하는 PCR 기술을 개발했다"며 "코로나19뿐 아니라 향후 다양한 바이러스 전염성 질병진단에 유용한 플랫폼으로 활용될 것으로 기대한다"고 말했다.

이 연구 결과는 이날 국제학술지 '네이처 바이오메디컬 엔지니어링'(Nature Biomedical Engineering)에 게재됐다.

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(왼쪽부터) IBS 나노의학연구단 천진우 단장, 이재현 연구위원, 하버드의대 이학호 교수. [IBS 제공. 재판매 및 DB 금지]



jungle@yna.co.kr



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