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코로나 검사 결과 17분만에 알 수 있는 기술 개발…PCR 시간 대폭 단축

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나노 입자 이용한 효과적인 가열 냉각으로 시간 단축

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3일 연세대학교 IBS관에서 천진우 교수가 현장 중심형 코로나 바이러스 감영증 진단을 위한 나노 유전자 증폭 과정을 시연하고 있다 (연세대학교 제공) 2020.12.03 /뉴스1

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(서울=뉴스1) 김승준 기자 = 신종 코로나바이러스 감염증(코로나19) 중합효소 연쇄반응(PCR) 검사 결과를 현장에서 17분만에 받아 볼 수 있는 기술이 개발됐다.

기초과학연구원(IBS)은 3일 오후 서울 연세대학교에서 브리핑을 열어 연구 성과를 소개했다. 이번 연구는 천진우 IBS 나노의학연구단장 연구팀(연세대 교수), 이재현 IBS연구위원(연세대 고등과학원 교수) 연구팀과 이학호 하버드 의과대학 교수 연구팀의 공동작업으로 이뤄졌다.

브리핑에 나선 천진우 IBS 나노의학연구단장은 "나노물질을 이용해 코로나19 바이러스를 17분 이내에 정확히 검출하는 현장진단 기술을 개발했다"며 "역전사 반응과 증폭에 11분, 검출 및 진단에 3분이 걸린다. 검체 채취 후 처리 과정까지 고려하면 17분 정도면 된다"고 설명했다.

연구팀이 개발한 기술의 과학적 원리는 현재 진단에 쓰이고 있는 RT-PCR과 같지만, 그 방법을 개선해 시간을 단축했다.

PCR은 적은 양의 유전물질을 복제해 양을 늘리는 '증폭' 작업을 한다. 코로나19 같은 RNA바이러스는 증폭을 위해 PCR을 위해 DNA로 바꿔주는 (역전사) 작업이 필요하다.

DNA는 줄 두개가 꼬인 모양인 '이중나선사슬' 모양이다. PCR을 위해서는 DNA에 열을 가해 이중나선을 풀어 단일 사슬로 만들어야한다. 그리고 검체를 식혀주면 단일 사슬로 풀린 DNA사슬을 가지고 합성효소가 새로운 사슬을 복제해 양을 두 배로 늘린다. 이렇게 DNA양을 늘리는 '증폭' 과정을 거쳐야 적은 검체로도 정확한 검사가 가능하다.

기존 방식의 PCR은 이러한 가열-냉각 과정에 2~3분 정도 소요된다. 이번 연구로 개발된 새로운 방법은 가열-냉각 과정에 약 9초가 걸린다.

검진을 위해서는 이러한 가열-냉각 과정을 40회가량 거쳐야 하므로, 기존 방법으로는 총 2시간 걸리는 증폭 과정이 8~11분 정도로 줄어들었다.

연구진이 가열-냉각 시간을 줄일 수 있었던 비결은 마그네토 플라스모닉 나노입자(MPN)다. 이 나노 입자는 작은 자석을 금이 둘러싸고 있는 형태고 만들어졌다. 나노입자의 금은 특정한 파장의 빛을 받아 열을 낸다.

나노입자를 검체와 섞어 레이저를 쬐어주면 짧은 시간 동안 검체가 골고루 가열돼 기존 가열 방식보다 효율적이다.

또한 증폭 이후에 자석으로 나노입자를 한쪽으로 모아주면, 형광 반응을 통해 간편하게 코로나바이러스가 검체에 들어있는지 확인 할 수 있는 장점도 있다. 자석을 가져다 댔을 때 빛이 나오면 코로나19 양성인 식이다.

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자석 활용한 나노입자 분리 및 증폭 유전자 형광 진단 (기초과학연구원 제공) 2020.12.03 /뉴스1

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천 단장는 "양성 75명, 음성 75명으로 구성된 150개 검체를 대상으로 검사했을 때, 기존 RT PCR과 똑같은 결과가 나왔다. 같은 수준의 정확성"이라며 "장치가 작고 가벼워 현장 진단용으로 쓸 수 있을 수준까지 소형화·경량화했다"고 설명했다. 연구진이 밝힌 장치의 크기는 가로 15㎝, 세로 15㎝, 높이 18.5㎝, 무게 3kg이다.

짧은 시간 내 검진이 끝나고, 장치 소형화가 가능하면, 대규모 모임 등을 개최 할 때나 공항 출입국 과정에서 감염 여부를 빠르게 판단해 전파를 줄일 수 있다.

연구진은 이번 연구는 기술이 가능하다는 것을 증명한 연구로 상용화에는 시간이 걸릴 것으로 전망했다.

천 단장은 "이번 실험실 수준의 연구 성과로서, 진단기기 상용화 및 실제 현장 배치를 위해서는 후속 개발연구가 필요하다"며 "코로나19 뿐 아니라 향후 다양한 바이러스 전염성 질병진단에 유용한 플랫폼으로 활용될 것으로 기대한다"고 밝혔다.

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3일 연세대학교 백양누리 그랜드볼룸에서 천진우 교수가 '코로나19 현장진단용 나노 PCR 기술 개발' 브리핑을 하고 있다.

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이번 연구 결과는 국제학술지 '네이처 바이오메디컬 엔지니어링' (Nature Biomedical Engineering)에 3일 오후 7시에 게재됐다.
seungjun241@news1.kr

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