유사 구조를 갖는 바이러스를 비표지식으로 구별 가능한 분석 기술

- 코로나-19와 같은 유행성 전염병과 파생된 변종 검출 및 특정 가능

 

최근 코로나바이러스감염증-19(COVID-19)는 높은 전염성을 가진데다, 지속적인 변이종의 출현과 무증상 감염으로 인해 의료진 및 방역 당국의 대응을 어렵게 하고 있다. 이에 따라 감염병 전파를 조기 차단 및 발견하여 의료현장 부담을 경감시키기 위한 다양한 연구들이 진행되고 있다.

 

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 서민아 박사(KIST 센서시스템연구센터, 고려대학교 KU-KIST 융합대학원), 송현석 박사(KIST 센서시스템연구센터)팀이 코로나바이러스를 구별하기 위하여 고감도 ^​1)비표지식(Label-free) ^​2)테라헤르츠 메타물질 센서를 이용해 바이러스가 인체에 침투 시 감염에 핵심적인 역할을 수행하는 단백질 단위체를 판별하는 새로운 타입의 진단 마커 검출 기술을 개발했다고 밝혔다.

 

현재 일반적으로 활용되고 있는 ^​3)SARS-CoV-2 검출법으로는 PCR검사와 신속항원검사가 있다. PCR검사는 정확성이 높으나 4시간 이상의 긴 검사시간이 소요되고, 신속항원검사는 검출시간이 20분 내로 짧지만 비슷한 단백질 구조를 갖는 시료들을 구별하기 어려워 정확도가 낮다는 한계가 있다. SARS-CoV-2가 포함된 ^​4)베타코로나바이러스 ^​5)속(genus)의 바이러스들은 82% 이상의 유사한 아미노산 배열을 보유하고 있어 이를 신속하게 검출할 진단 기술의 개발이 시급하다.

 

테라헤르츠 전자기파는 주파수 대역이 매우 넓어 생체분자의 고유 진동에 민감한 분광법에 활용할 경우 DNA, 아미노산, 단위체와 같은 생체시료들의 미세한 고유 정보 및 차이점까지 해석이 가능한 특성을 가진다. 그러나 테라헤르츠파는 극미량 존재하는 바이오 시료와의 낮은 상호작용 확률, 신호 증폭 기술의 부재 등의 측정 환경적 어려움으로 인하여 미량의 생체 내 시료를 직접 검출하기에 많은 어려움이 있었다.

 

연구진은 이를 극복하기 위하여 전자기파의 특정 대역 신호를 증폭시키는 메타물질을 이용하여 시료의 고유 정보가 반영된 테라헤르츠 광신호를 미량에서도 민감하게 측정할 수 있는 생체 분자 진단 플랫폼을 개발하였다. 우선 테라헤르츠 대역에서 우수한 흡수율을 갖는 아미노산을 특정한 후, 해당 신호를 증폭할 테라헤르츠 메타물질을 개발했다. 그리고 테라헤르츠 신호 변화를 면밀하게 관찰하기 위하여 메타물질 표면에 시료를 균일하게 분산시킨 후 시료의 광학 상숫값을 분석함으로써 수 분 이내로 단위체의 검출 및 전하량, 극성, 소수성 지표와 같은 시료 특성 및 양을 추론할 수 있었다. 또한, 아미노산 단위의 변화를 감지하여 유사한 구조를 갖는 변이 바이러스들을 특정하는데도 활용할 수 있었다.

 

KIST 서민아 박사는 “향후 발생할 전염병과 그 변이들을 추적하는 진단 기술 개발에 테라헤르츠 분석법이 적용 가능할 것으로 전망 한다”고 밝혔다.

 

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙) 지원으로 중견연구자지원사업과 글로벌프론티어사업 및 KIST 주요사업으로 수행되었으며, 연구결과는 분석화학 분야 상위 국제 학술지인 ‘Biosensors and Bioelectronics’ (IF: 10.618, JCR 분야 상위 2.87%) 최신 호에 게재되었다.

 

1) 지표식(Labeling)의 경우 바이러스에 ‘이름표’를 붙이는 과정이 필수적인데, 이 이름표는 바이러스의 성질을 바꿀 가능성이 있는 반면 비지표식으로 판별할 경우 비접촉/비파괴 특성으로 바이러스의 성질을 바꾸지 않음

2) 테라헤르츠(THz) 전자기파 영역대에서 기능을 갖는 메타물질로서 특정 주파수에서 투과율이나 반사율이 증폭됨

3) 코로나바이러스감염증-19(COVID-19) 발병 원인이 되는 바이러스

4) 코로나바이러스과 4개의 속(genus) 중 하나

5) 속(genus), 바이러스의 분류 단계

 

* (논문명) Detection and discrimination of SARS-CoV-2 spike protein-derived peptides using THz metamaterials

- (공동제1저자) 한국과학기술연구원 이수현 박사후연구원

- (공동제1저자) 한국과학기술연구원 이연경 학생연구원(박사과정)

- (공동교신저자) 한국과학기술연구원 송현석 선임연구원

- (공동교신저자) 한국과학기술연구원 & 고려대학교 KU-KIST 융합대학원 서민아 책임연구원

 

그림 설명

 

고민감도 메타물질을 적용하여 SARS-CoV-2의 스파이크 단백질 내 수용체 결합 영역에 있는 핵심 단위체를 검출함.

표면처리기법과 건조방식의 최적화로 핵심 단위체를 나노갭에 균일하게 분산시켜

유사한 아미노산 배열을 갖는 SARS-CoV의 핵심 단위체로부터 구별함.