▲ 한국과학기술연구원(KIST) 안전증강융합연구단 김상경 단장, 정승원 박사 연구팀이 광열 나노소재를 활용해 기존 PCR 검사를 5분 안에 수행하는 초고속 PCR 기술을 개발했다.

[기계신문] PCR 기술은 DNA 양을 증폭시켜 표적 핵산을 검출하는 분자 진단 기술로, 1984년 개발 이후 생명과학 분야에 엄청난 발전을 가지고 왔다.

이런 PCR 기술이 일반인들에게 익숙해진 것은 코로나 바이러스 유행이 계기가 되었는데, 코로나 바이러스를 특정할 수 있는 핵산을 검출해 진단에 가장 주요하게 활용되었기 때문이다.

하지만 PCR 검사는 기술 특성상 반복적인 온도 순환(60~95℃)으로 검사에 최소 1~2 시간이 소요되고 현장에서 바로 결과를 알 수 없다는 한계가 있었다.

한국과학기술연구원(KIST) 안전증강융합연구단 김상경 단장, 정승원 박사 연구팀이 광열 나노소재를 활용해 기존 PCR 검사 시간을 10배 단축해 5분 안에 수행하면서도 기존 검사방식과 동등한 진단성능을 가진 초고속 PCR 기술을 개발했다.

▲ 폴리머 입자 내 광열 효과를 이용한 PCR 온도순환 모식도

광열 나노소재는 빛을 받아 열을 내는 소재로 빛을 조사하는 즉시 높은 열을 빠르게 내는 특징이 있다. 이처럼 광열 나노소재는 온도를 빠르게 올리는데 매우 효율적이나, 안정성이 낮아 성능의 유지가 어렵다는 문제가 있었다.

KIST 연구팀은 광열 나노소재의 불안정성을 극복하기 위해 광열 나노소재를 물리적으로 붙잡을 수 있는 고분자 복합체를 제작했고, 이를 PCR 구동장치에 적용해 열판이 없는 소형 PCR 구동장치를 개발에 성공했다.

뿐만 아니라 마이크로입자 여러 개를 한 번에 진단하는 다중진단 기술을 구현해 한 번의 PCR로 여러 종류의 코로나 변이 바이러스를 구분할 수 있었다.

▲ 폴리머 마이크로 입자의 실시간 PCR에 따른 형광 신호 변화

김상경 단장은 “추가적인 연구를 통해 이번에 개발한 초고속 PCR 기술을 올해 내 소형화하여 장소에 구애받지 않고 활용 가능한 장치로 개발할 계획”이라며 “정확한 진단이라는 PCR의 강점을 그대로 유지하면서 편의성, 현장성, 신속성을 높여 1차 동네의원이나 약국, 더 나아가 집에서 활용할 수 있는 정밀 진단기기가 될 것으로 기대한다”고 밝혔다.

이번 연구 성과물인 광열PCR에 LED와 같은 간편한 광원을 이용하여 장치를 개발하면 개인이나 가정에서 빠르고 간편하게 분자진단하는 시스템이 가능하다. 이번 연구는 손바닥에 올릴 수 있는 수준의 초소형·초고속 PCR에 필요한 진단 원천 소재를 제시한 것으로, 팬데믹 이후의 새로운 진단기술로 성장할 수 있을 전망이다.

이번 연구는 국가과학기술연구회의 지원을 받아 실용화형 융합연구단 사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 나노 소재 분야 국제학술지 ‘ACS Nano’ 온라인 최신 호에 게재되었다.

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