압타머를 반도체칩에 적용해 항원-압타머간 전기화학반응을 전기에너지로 수치화해 코로나19 바이러스의 다양한 변종을 감지하는 멀티 바이오센서 시스템 모식도. 다양한 검체를 활용하고 검사 비용이 저렴한 게 장점이다. 한호성 분당서울대병원 외과 교수·김상태 수석연구원, 박정수 진단검사의학과 교수팀은 수초 만에 ‘코로나19 바이러스’(SARS-CoV-2) 및 수십 종의 변이체를 진단할 수 있는 멀티 바이오센서 시스템을 개발했다.

압타머(WQCSA, Wooden Quoit conformation structural Aptamer)를 반도체 칩에 접목, 전기화학적 반응을 통해 환자의 타액, 콧물, 땀, 뇨로부터 수초 내에 다양한 항원을 검출하는 비표지식 멀티 바이오센서를 개발한 세계 최초의 사례다.

비표지식(非標識式, label-free) 바이오센서는 나노기술을 이용하여 효소나 형광물질, 동위방사원소 등 기존 표시물질을 사용하지 않는 방법으로 검사가 쉽고 정확하며, 민감도가 우수하다는 장점을 가지고 있다.

연구팀이 개발한 바이오센서 시스템은 기존에 항체 기반의 신속진단키트나 ELISA(효소면역측정법) 분석법보다 1000배 이상 신속하며, 민감도와 특이도가 높아 극미량의 항원도 검출할 수 있다. 특히 자체 제작한 압타머(WQCSA)는 다양한 항원을 구조적인 형태로 인식하도록 디자인돼 수십 종의 변이체를 탐지할 수 있다.

코로나19 바이러스의 다양한 변종이 지속적으로 발생하고 있는 가운데 감염병 진단에는 항체와 항원 반응을 이용한 현장용 신속진단키트 및 실험실 기반의 고가의 PCR(유전자증폭검사), ELISA 등이 보편적으로 사용되고 있다. 이들 방법은 지속적으로 빠르게 확산하는 변이체를 정확하고 신속하게 식별할 수 없는 한계를 안고 있다.

이에 연구팀은 코로나19 바이러스 및 변이체를 즉각적으로 정확하게 탐지하는 센싱 기술을 확보하기 위해 압타머(aptamer)를 사용했다. 압타머는 특정 분자에 결합하는 물질로 항체처럼 표적분자에 높은 친화력과 특이성을 갖고 결합해 ‘화학 항체’로 불린다. 단일 부위에 결합하는 항체와 달리 압타머는 표적 단백질의 3차원적 형체를 인식해 항체보다 표적에 대한 선택성이 높으며 저렴한 비용으로 대량생산이 쉽다.

연구팀은 분당서울대병원에서 코로나19 양성 판정을 받은 환자 60명의 검체를 사용해 주요 항원인 스파이크(spike), 뉴클레오캡시드(Nucleocapsid), 다른 항원들과 특이적으로 결합하는 Wooden Quoit(나무로 만든 고리던지기 장난감) 모양의 압타머를 제작했다. 이를 화학적 처리를 거친 유리기판에 고정시킨 후 전류를 흘려보내는 방식으로 ‘전기용량(Capacitance)’을 측정해 항원의 검출을 확인하는 바이오센싱 시스템을 완성했다.

연구팀이 개발한 바이오센서를 통해 검사를 진행한 결과, 다양한 코로나19 바이러스(SARS-CoV-2) 변이체를 10펨토몰(fM) 농도까지 검출하며 높은 민감도와 특이성을 나타냈다. 체내 물질의 농도는 ‘몰(mol)’ 단위로 나타내며 펨토몰은 1000조분의 1몰을 뜻한다.

한호성 분당서울대병원 외과 교수(왼쪽부터), 박정수 진단검사의학과 교수, ·김상태 수석연구원 

교신저자인 한호성 교수는 “압타머의 유연한 구조적 결합을 기반으로 코로나19 바이러스 및 수십 종의 변이체를 정확하게 감지하는 다중항원 멀티 바이오센싱 기술”이라면서 “저렴하고 신속하게 변이체 항원까지 검출할 수 있는 효율적인 진단 도구로 쓰일 수 있을 것”이라고 밝혔다.

박정수 교수는 “이번에 연구팀이 개발한 멀티 바이오센서 시스템은 질병을 조기에 발견하고, 전염병 확산을 막는 데 기여할 것”이라고 덧붙였다.

이번 연구는 분석화학 분야의 권위있는 국제 학술지 ‘바이오센서 앤 바이오일렉트로닉스’(Biosensors&Bioelectronics, IF=13.39)에 게재됐다. 논문명은 ‘SARS-CoV-2 Detection in COVID-19 Patients’ Sample using Wooden Quoit Conformation Structural Aptamer (WQCSA)-Based Electronic Bio-sensing System’이다.