화학공학/고분자공학부 엄숭호 교수 연구팀,
 유전자 바이오 마커 검출 효율 대폭 개선

- 중합효소 연쇄반응(PCR)기술을 대체할 탐침 집약 등온 가닥 치환(iPSR)’기술 개발
- 수분 이내에 체외 진단 가능, 고성능 유전자 동시 판단 가능
- 향후 질환 예방 및 맞춤형 치료에 대한 새로운 지표 제안

[그림1] 엄숭호 교수, 신승원 연구원, 안소연 연구원

화학공학/고분자공학부 엄숭호 교수 연구팀은 등온 조건에서의 암 핵산 바이오 마커의 검출 효율을 혁신적으로 개선한 접근방식 및 시스템을 개발하였다고 밝혔다. 바이오 마커의 검출 과정을 화학 반응 역학적 관점에서 고찰한 이번 연구는 핵산 바이오 마커의 검출 한계를 근본적으로 대폭 개선하였을 뿐만 아니라 탐침과 타겟의 상호 반응을 수반하는 모든 시스템에의 적용 가능성을 제시하였다. 

이번 연구는 보건복지부가 주최하는 보건의료기술 연구개발 사업 내 포스트게놈 다부처 유전체사업과 교육과학기술부 산하 한국연구재단의 중견연구자 지원사업의 지원을 받아 수행되었으며, 분석 화학의 최고 권위지인 ‘Analytical Chemistry’에 11월 15일 게재되었다.

연구팀은 핵산 나노공학기술에 기반을 둔 다수의 탐침을 집약하는 핵산 나노 구조체를 디자인 및 합성하여 중합효소 연쇄반응 (Polymerase Chain Reaction: PCR) 기반 기술에 대적하는 기존의 등온 가닥 치환 반응 기반 기술의 핵산 바이오 마커 검출 효율을 최대 약 300배 개선하였다. 기존 핵산 바이오 마커 검출 기술인 중합 효소 연쇄반응 기반 시스템은 복잡한 시약과 기기의 필요성으로 인해 실험실 수준에서의 구동만 가능한 실정이었다. 이에 연구팀은 등온 가닥 치환 기술의 장점을 포괄하며 검출 한계 또한 대폭 개선한 탐침 집약 접근방식-일명, 탐침 집약 등온 가닥 치환(Probe-localized Isothermal Strand Replacement: iPSR)을 개발하였다. 이는 핵산 바이오 마커 등온 검출 기술의 새로운 방향을 제시할 뿐만 아니라, 화학 반응 역학 관점의 접근방식에 따른 다방면에서 보편적 활용도 가능하다.

[그림2] 다수의 탐침이 집약된 DNA 나노 구조체와 iPSR 응용의 예시

모든 바이오 센서의 타겟 검출 과정은 탐침의 타겟 인식, 인식된 정보의 시그널화 과정으로 이루어져 있으며, 현재 개발된 대표적인 핵산 바이오 마커 검출 기술들은 PCR 기반에 타겟 물질 자체의 증폭 또는 생성된 전기 화학적 시그널의 증폭을 통해서 검출 효율을 증대하는 방식에 집중하고 있다. 본 연구에서는 기존 틀에서 벗어나 저농도에서 급감하는 탐침과 타겟 분자 간의 반응에 필요한 유효 충돌 빈도를 근본적으로 개선하는 접근방식을 채택하였다. 탐침과 타겟의 반응을 하나의 화학 반응으로 가정하고, 분자 간의 충돌 빈도를 개선하는 반응 역학의 근본적 관점은 바이오 마커의 검출 효율을 대폭 개선하였을 뿐만 아니라 분자 간의 충돌을 수반하는 모든 화학 반응에서의 보편적인 적용 가능성을 시사한다. 본 기술은 ㈜ DNANO(대표 이영구)를 통해서 새로운 유전자 진단칩 기술 개발에 적용되어 곧 상용화될 예정이다. 

엄 교수는 “상대적으로 짧은 시간 내에 PCR 없이 획기적으로 개선된 유전자 검출 가능성을 제시하였으며, 핵산 탐침을 사용하는 어떤 시스템에도 보편적으로 적용 가능하다”면서“실제 임상 진단에서 빠른 치료제 처방과 약물 효능에 대한 실시간 모니터링을 통해 환자 맞춤형 치료에 크게 이바지할 것”이라고 말했다.