박준혁 가톨릭대 가톨릭중앙의료원 기초의학사업추진단 합성생물학사업단 교수(공동 교신저자, 의대 의생명과학교실)와 김성지 포항공대 화학과 교수(공동 교신저자)팀이 단 10분 만에 감염이나 염증을 초정밀하게 진단할 수 있는 새로운 초고감도·초고속 항원 검출 기술을 개발했다. 

이번 연구의 핵심은 ‘양자점 복합체’(Quantum Dot Composite Complex, QDCC)라는 새로운 형태의 나노소재를 만든 것이다. ‘양자점’(Quantum Dot)은 빛을 받으면 특정 색의 빛을 내는 반도체 나노입자로, 눈에 보이지 않을 만큼 작지만, 특정색의 광발광을 통해 아주 미세한 물질의 존재를 확인할 수 있다. 연구팀은 수십 개의 양자점을 하나의 튼튼한 나노복합체 안에 안정적으로 넣어, 기존보다 훨씬 강하고 오래 빛나는 입자를 만드는 데 성공했다.

이 나노복합체는 기존 동일 연구진에서 발표한 양친매성 고분자(물과 기름 성질을 모두 가진 고분자) 기반의 나노복합체보다 구조적으로 단단하고 빛의 신호도 더 안정적이다. 이는 ‘층상 자기 조립’(Layer-by-layer self-assembly)이라는 독창적 방식을 적용, 외부 물질로 인해 신호가 약해지는 현상(형광 소광)을 최소화했기 때문이다. 이 기술을 통해 연구팀은 나노입자의 표면 화학 구조를 정밀하게 조절하며, 생체분자(비오틴, 스트렙타아비딘 등)를 표면에 도입하고 이들과의 상호 결합력을 극대화시켰다.

사량체(homo-tetramer)의 일종인 스트렙타비딘(Streptavidin)과 비오틴(비타민 H. 또는 비타민B7)은 서로 강하게 결합하는 단백질-리간드 쌍으로, 상호결합하면 형광, 효소, 자기 비드 등 다양한 형태로 표지되어, 항체나 핵산 같은 분자를 검출하고 분리하는 데 활용된다. 

스트렙타비딘은 비오틴에 대해 매우 높은 친화성으로 결합하며, 이 결합은 분자당 최대 네 개의 비오틴과 결합할 수 있다. 두 분자의 결합은 매우 특이적이어서, 다른 분자들과의 비특이적 결합을 최소화할 수 있다. 따라서 유기 용매, 변성제, 극한의 온도와 pH 등 다양한 환경에서도 안정성을 유지한다. 

화학분석에서는 바이오티닐화된 분자를 검출하기 위한 형광 컨주게이트에 스트렙타비딘이 사용된다. ELISA, 웨스턴 블롯 등 효소면역분석법에서 신호 검출을 위해 효소 컨주게이트 형태로 활용된다. 세포, 단백질, DNA 등을 분리하고 면역분석을 수행하는 데 스트렙타비딘이 표지된 마그네틱 비드(magnetic beads, 분리나 정제에 사용되는 자성 입자)나 수지가 사용된다.  

연구팀은 새로 개발한 양자점 나노복합체를 ‘C-반응 단백질’(CRP) 검출에 활용했다. CRP는 우리 몸이 염증 반응을 일으킬 때 급격히 증가하는 단백질로, 감염 여부나 질병의 중증도를 파악하는 데 사용된다. 기존의 대표적인 진단법인 ELISA(효소결합면역검출법)은 대부분 정확하지만, 시료 준비와 반응 시간이 길어 4~24시간이 걸린다.

반면 이번 연구에서 제시된 방법은 10분 이내에 결과를 확인할 수 있으며, 기존 대비 50만 배 이상 민감하게 미량의 항원도 탐지할 수 있다. 이는 소량의 바이러스나 염증단백질이 존재해도 탐지할 수 있다는 의미로 감염병 조기진단, 응급의료, 현장진단(Point-of-Care Testing) 등에 큰 혁신을 가져올 수 있다.

이번 기술은 단순히 혈액검사용 진단에만 그치지 않는다. 연구팀은 면역염색화학법(조직이나 세포에서 특정 단백질을 염색해 관찰하는 기술)과 같은 영상의학 분야에도 적용할 수 있음을 실험적으로 확인했다. 이 방식이 도입되면, 기존 현미경 진단보다 더 적은 양의 표적 생분자들을 빠르고 또렷하게 정밀하게 표지하여 확인할 수 있을 것으로 기대된다.

이 기술은 단백질, 바이러스, 세포 등 생체신호를 감지하는 바이오센서 분야와도 연계가 가능하다. 특히 감염병이 빠르게 확산되는 상황에서 현장에서 바로 진단할 수 있는 ‘휴대용 진단 장비’로의 응용 가능성도 높다. 박준혁 가톨릭대 의대 교수(왼쪽), 김성지 포항공대 화학과 교수

박준혁 교수는 “이번 연구는 반도체 나노입자 기반의 안정적인 나노복합체 합성법과 이를 이용한 초고속 · 초고감도 진단 기법을 개발함으로써 다양한 항원 및 검출 환경에 대한 폭넓은 적용이 가능한 새로운 검출법으로의 활용 가능성을 보였다”라고 밝혔다.

이번 연구는 의과학과 나노소재 기술의 융합 연구의 성과로, ‘진단의 속도와 민감도’라는 두 가지 난제를 동시에 해결한 사례로 평가된다. 되고 있으며, 가톨릭중앙의료원을 중심으로 세종과학펠로우십, 기초연구사업(중견연구, 선도연구센터(SRC), 이공분야 대학중점연구소지원사업), 나노 및 소재기술개발사업 (국가핵심소재연구단) 등의 지원을 받았다. 이번 연구 성과는 국제 나노소재 분야의 권위 있는 학술지 ‘ACS Nano’(IF=15.8) 9월호에 게재됐다.