커피 얼룩에서 유전자 가위까지 … 코로나 “즉석 진단 ‘을위한 기술들이 등장

입력 2020.09.16 13:00

RT-PCR보다 과정 쉽게 … 30 분에서 육안으로 결과 확인
카이스트, 커피 얼룩 현상에 주목 … “코로나 19 응용 연구 중”
아름다움 · 중 · 이스라엘, 크리스 퍼 분광 적극적으로 응용 … 상용화 추진

미국 일리노이 대학 연구팀이 개발하고 지난달 31 일 발표 한 코로나 19 신속 진단 장비 “램프 (LAMP)”./ PNAS

때와 장소를 불문하고 필요한 현장에서 즉시 신종 코로나 바이러스 감염 (코로나 19)를 진단하기위한 기술과 시제품이 잇달아 등장하고있다.

현재 널리 사용되고있는 「역전사 중합 효소 연쇄 반응 (RT-PCR 분자 진단) “검사는 정확도가 높다는 장점이 있지만, 고가의 인프라를 갖춘 의료 시설에 검체를 보내 바이러스 중 핵산 양을 증폭하는 과정이 필요 6 시간 이상 걸린다는 단점이있다. 국내외 학계에서는 이러한 단점을 보완 해 주었으면 현장 진단 (point-of-care) 할 수있는 기술의 개발을 시도하고있다. 이러한 기술은 검체를 의료 시설로 보낼 수없이 낮은 비용을 들여 수십 분에서 육안으로 결과를 알 수 있도록 설계되었다.

◇ 카이스트 ‘커피 링 등온 유전자 검출법’개발 … 감도 대폭 향상

카이스트 (KAIST)은 종현 존 생명 공학과 교수 연구팀이 전염성 세균 · 바이러스 신속 진단을위한 ‘커피 링 등온 유전자 검출법 (iCoRi)’를 개발했다고 16 일 밝혔다.

연구팀은 “메티 실린 내성 황색 포도상 구균 (MRSA) ‘와’항생제 내성 유전자 (mecA)”를 대상으로 실험 한 결과, 30 분에서 결과 확인이 가능했다. 코로나 19 바이러스 진단도 가능하도록 연구를 계속하고있다.

iCoRi는 “커피 링 (coffee ring) 효과 ‘를 응용 한 것이다. 커피 링은 물체 표면에 커피 방울 채울 때 남는 링 (반지) 모양의 얼룩을 말한다. 평직은 물질의 표면 장력 · 모세관 등의 요인에 의존한다.

연구팀은 커피와 같은 얼룩을 남긴다 특수 액체를 사용했다. 이 액체 속에 세균 · 바이러스가 섞이면 평직이 더러워지는 현상을 발견했다. 액체의 분자와 세균 · 바이러스의 핵산이 서로 화학 반응하여 나타난 결과이다. 액체의 세균 바이러스의 농도가 높을수록 얼룩 무늬는 더 희미 해졌다.

커피 링 등온 유전자 검출법의 모식도 (위)과 세균 · 바이러스의 농도에 따라 평직의 변화 (아래) ./ 카이스트 제공

연구팀은 육안으로 평직의 변화를 관찰함으로써 30 분 검체에서 바이러스의 존재 여부와 그 양을 확인할 수 있도록했다. 스마트 폰 등의 모바일 기기에 데이터를 기록하여 확인할 수도있다. 연구팀은 고가의 장비가 필요없는 진단 비용도 낮아질 것으로 기대했다.

연구팀은 또한 감도를 높이는 증폭 기술을 적용하여 “제부토모루 농도 (zeptoM)”수준의 바이러스 량 감지 할 수 있도록했다. 1 제 켜지 농도는 액체 10 밀리리터 (ml) 물질의 분자 6 개 녹아있는 수준의 낮은 농도이다. 기존의 진단 키트는 이보다 최소 1000 배 높은 바이러스 농도만을 감지 할 수있다.

◇ 아름다움 ‘형광등’의 상용화 준비 … 중 쿠리스빠 새로운 기능을 활용

최근 미국과 중국 등에서도 다양한 기술과 시제품이 등장했다. 미국 일리노이 대학의 연구팀은 화학 반응에 의한 광 발생 여부에 코로나 19을 진단하는 장비 “램프 (LAMP) ‘을 개발했다고 지난달 31 일 미국 국립 과학원 회보 (PNAS)에 발표했다.

램프는 검체를 넣는 키트 본체에 해당하는 카트리지로 구성되어있다. 키트에 들어있는 검체는 특수한 액체와 혼합 된 후 M 자 모양의 구불 구불 한 통로를 통해 농축된다. 이후 키트를 카트리지에 삽입하면 섭씨 영상 65도까지 가열된다. 이 온도에서 액체와 바이러스가 30 분 동안 화학 반응을 일으켜 형광색 빛을 내뿜는다. 검체에 바이러스가 없으면 빛이 생기지 않는다. 기기의 표면에 붙은 인터페이스를 통해 광 발생 여부를 관찰함으로써 육안으로 코로나 19 진단이 가능하다.

“램프”30 분에서 결과를 확인하는 모습. 양성 환자의 검체를 사용한 경우 (왼쪽) 형광색 빛이 크게 발생한 ./PNAS

연구팀은 “램프 프로토 타입에서 실제 검체를 진단 한 결과, RT-PCR과 같은 결과를 냈다”고 설명했다. 현재 ‘패스트 라디오 스 (Fast Radius)’라는 현지 기업과 상용화를 준비 중이며, 면봉 비강 깊이 넣어 검체를 채취하는 대신 침을 활용할 수있는 방법도 연구하고있다.

중국 서 의대 협력 병원 등이 참여한 공동 연구팀도 비슷한시기 인 지난달 27 일 “크리스 퍼 – 코로나 (CRISPR-COVID)”진단법을 ‘퍼블릭 라이브러리 오브 사이언스 (POLS ) “로 소개했다.

이 방법은 ‘유전자 가위’라는 크리스 퍼 기술을 응용 한 것이다. 연구팀에 따르면 크리스 퍼의 주요 기능은 유전자의 염기 서열을 편집하는 것이지만, 세균 · 바이러스의 유전자 염기 서열을 분석하고 검출 할 수있는 부수적 인 기능이 최근 밝혀 했다. 이를 응용 한 결핵균 진단 방법이 이미 개발되어 기존의 진단법 수준의 정확도를 나타낸 상태로한다.

크리스 퍼를 활용 한 코로나 19 진단법의 모식도 ./PLOS

연구팀은 “코로나 19 검체에이 기술을 적용한 결과, 40 분 이내에 감염 여부 확인이 가능했다”고했다. 1 회 진단에 필요한 재료비는 현재 3 달러 50 센트 (약 4100 원) 수준이며, 대량 생산시 70 센트 (약 800 원)까지 낮추고 전체 진단 비용을 크게 줄일 수 있는 것이라고 주장했다.

◇ 한국 중소기업 15 분 이내에 진단 가능 항원 키트 이스라엘의 신기술 공급 계약

한국 정부도 한국 화학 연구원을 중심으로 신속 진단 키트의 개발을 진행하고있다. 화학연은 올해 7 월의 중간 성과를 발표하고있다. 기무홍기 박사 연구팀은 15 분 이내에 진단이 가능한 ‘항원 진단 기술’을 선보였다. 코로나 19 바이러스가 가진 항원과 결합하여 화학 반응을 일으키는 나노 미터 (nm · 10 억분의 1 미터) 크기의 항체를 시료로 사용 육안으로 그 반응을 확인 할 수있는 기술이다. 진단 키트로 활용할 경우 임신 테스트기와 비슷한 형태가 될 것으로 예상된다. 연구팀은 국내 기업 “정밀 바이오”에 기술을 이전 해 연내 상용화를 추진하고있다.

국내 발광 다이오드 (LED) 업체 ‘GV 황금’은 6 월 이스라엘 벤 구리 온대 연구원과 업무 협약 (MOU)를 체결하고 ‘테라 헤르츠 (THz · 1 조 Hz) 분광법 “진단 장비를 아시아 에 공급하기로 한 것으로 알려졌다. 이 장비는 THz 주파수를 갖는 빛이 100~140nm의 크기의 입자로 구성된 물질을 통과 할 때 빛의 특성이 크게 변화하는 원리를 응용 한 것이다. 코로나 19 바이러스도 비슷한 크기를 가지고 있기 때문에 빛의 특성 변화로 검출 가능하다 것이다. 흔들리고 카라토 (eurekalert) 등 외신에 따르면,이 방법은 1 분에 결과 확인이 가능하며, 1 회 검사 비용은 50 달러 (약 5900 원) 수준이다. 피험자 150 명을 대상으로
이스라엘 국방부와 함께 진행 한 초기 임상에서 90 % 이상의 진단 정확도를 보여 주었다.

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