10분만에 감염·염증 초정밀 진단한다

가톨릭중앙의료원(CMC) 기초의학사업추진단 합성생물학사업단 박준혁 교수(가톨릭의대 의생명과학교실공동 교신저자)와 김성지 포항공대 교수(화학과공동 교신저자) 연구팀이 단 10분 만에 감염이나 염증을 초정밀하게 진단할 수 있는 새로운 초고감도초고속 항원 검출 기술을 개발했다. 이번 연구 성과는 나노소재 분야의 국제학술지 ACS Nano(IF=15.8) 9월호에 게재됐다.

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

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 적용해, 외부 물질로 인해 신호가 약해지는 현상(형광 소광)을 최소화했기 때문이다. 이 기술을 통해 나노입자의 표면 화학 구조를 정밀하게 조절하며, 생체분자(비오틴스트렙타아비딘 등)를 표면에 도입하고 이들과의 상호 결합력을 극대화했다.

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. 기존 대표적인 진단법인 ELISA(효소결합면역검출법)는 대부분 정확하지만, 시료 준비와 반응 시간이 길다(424시간).

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

이번 기술은 단순히 혈액 검사용 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 빠르며 또렷하고 정밀하게 표지해 확인할 수 있다.

또 이 기술은 단백질, 바이러스, 세포 등 생체신호를 감지하는 바이오센서 분야와도 연계가 가능하다. 특히 감염병이 빠르게 확산되는 상황에서 현장에서 바로 진단할 수 있는 휴대용 진단 장비로의 응용 가능성도 높다.

박준혁 교수는 이번 연구는 반도체 나노입자 기반의 안정적인 나노복합체 합성법과 이를 이용한 초고속초고감도 진단 기법을 개발함으로써 다양한 항원 및 검출 환경에 대한 폭넓은 적용이 가능한 새로운 검출법으로의 활용 가능성을 보였다라고 밝혔다.

이번 연구는 의과학과 나노소재 기술의 융합 연구로, 의생명 지식과 나노공학적 설계를 접목하여 진단 속도와 민감도라는 두 가지 난제를 동시에 해결한 사례로 평가받았으며, 합성생물학사업단을 중심으로 세종과학펠로우십, 기초연구사업 (중견연구선도연구센터, 이공분야 대학중점연구소지원사업), 나노 및 소재기술개발사업(국가핵심소재연구단) 등의 지원을 받았다.