"바이러스 검출 새 기준 만들겠습니다"

이는 최근 복잡한 과정 없이 질병의 조기 진단을 가능하게 하는 일회용 전처리칩(Biporous silica nanofilm-embedded sample preparation chip, BSNFs-chip)을 개발한 한양대 화학과 이준석 교수의 목표다.

이 교수는 최근 나노 스케일에서 발생하는 유체의 소용돌이인 '나노소용돌이(nano-vortex)'로 병원체와 핵산의 농축 및 추출 효율을 향상시켜 조기에 질병을 검출할 수 있는 일회용 칩을 개발했다.

핵산 기반의 진단 방법은 암, 유전 질환, 감염병 등의 정확하고 민감한 탐지에 필수적이다.

특히 감염병에서 PCR(Polymerase Chain Reaction) 같은 분자진단 기술이 중요한 역할을 한다.

이 기술은 증상 발현 후 바이러스 유전체의 빠른 축적을 통해 조기 진단을 가능하게 한다.
하지만 무증상 혹은 전증상 기간 동안의 낮은 병원체 농도는 검출 및 진단에 어려움을 제시한다.

현재 상업적 핵산 추출 방법은 주로 표면 결합 메커니즘에 의존하며 이 방법은 컬럼, 비드, 또는 마이크로플루이딕 채널 같은 고체 표면에 핵산을 부착시키는 방식이다.

이 기술들은 특히 매끄러운 표면의 마이크로플루이딕 칩에서 결합 효율성을 높이는 데 제한이 있는데 이는 제한된 결합 사이트와 미끄럼 경계 조건 때문이다.

이 같은 상황이 이 교수가 이번 연구를 하게끔 만들었다.

이 교수는 "기존 전처리 칩의 제한된 표면적 문제를 해결하고, 낮은 농도의 병원체를 신속하고 민감하게 검출하기 위해 연구를 시작했다"며 "이를 위해 3차원 나노구조를 활용해 표면적을 확장하는 기술을 개발, PCR 없이도 핵산을 효과적으로 분리 및 검출할 수 있는 새로운 시료 전처리칩을 고안했다"고 말했다.

이 교수는 이 연구를 통해 서로 다른 크기의 기공을 갖는 독특한 이중 나노구조 필름을 개발했다.

이 나노구조 필름은 대면적 PET 필름에 쉽게 적용할 수 있으며 이를 활용해 시료 전처리칩을 제작했다.

이중 나노구조 필름은 표면적을 기존 평평한 표면에 비해 18배 증가시켜, 바이러스 및 병원균 포획 효율을 대폭 향상시켰다

유체 시뮬레이션을 통해 나노소용돌이 현상이 발생하며 이는 단일 기공을 가진 나노구조 대비 10배 더 활발한 미끄러짐 현상을 유도한다.

이러한 현상은 입자들이 필름 표면에 더 가까워지게 하여 타겟 물질의 접근성과 포획 가능성을 높인다.

연구팀은 표면 처리 기술을 통해 병원균과 핵산을 정전기적 인력으로 성공적으로 포획했으며 이후 용출 버퍼를 사용해 이들을 효과적으로 농축하고 추출했다. 특히, 카오트로픽제제를 사용하지 않음으로써 핵산의 안정성을 보장했다.

이 방법으로 추출된 샘플은 기존 컬럼 방식으로 추출된 샘플보다 100배 낮은 검출 한계를 달성했다.

복잡하고 시간이 많이 소요되는 전통적인 qRT-PCR 대신 LRET 분석법을 적용함으로써, 연구팀은 50분 이내에 빠르고 민감한 바이러스 검출을 가능하게 했다.

이 교수가 개발한 이중 나노필름은 기존 평면보다 18배 높은 표면적을 제공하고 나노소용돌이를 통해 포획 및 농축 효율을 대폭 향상시켜,컬럼 방식 대비 최대 100배 낮은 검출 한계를 달성했다.

추가로 LRET 분석법을 통합해 50분 이내에 100% 민감도로 시료를 전처리 및 검출하는 칩을 개발했다.

이 교수의 목표는 이 기술이 실제 현장에서 활용되는 것이다.

그는 "이 기술이 실용화된다면 현재 SARS-CoV-2에 국한되지 않고 다양한 감염병 바이러스의 검출에 활용될 수 있는 잠재력이 있어 실제 현장에서의 활용 가능성도 기대된다"고 말했다.