- 나노과학기술분야 세계적 학술지 ‘Nano Letters’ 논문 게재

- 바이러스 검출에 효율적으로 사용할 수 있는 PCR 검출 속도 가속화 관련 연구 진행

서울시립대학교(총장 원용걸) 생명과학과 최인희 교수 연구팀은 바이러스 검출 속도를 향상시키는 기술을 개발했다고 발표했다. 서강대학교 기계공학과 김동철 교수팀과 하버드 메디컬 스쿨 루크 리 교수와의 공동 연구를 통해 플라즈몬 광학 우물구조를 활용한 중합효소연쇄반응(PCR) 가속화 기술을 성공적으로 개발하였다. 

중합효소연쇄반응(PCR)은 DNA 중합효소를 이용하여 검출을 하고자 하는 특정 DNA 서열을 기하급수적으로 증폭하는 방법으로, 소량의 검체 내에 포함되어 있는 세균이나 바이러스의 DNA에 적용하여 감염성 질환의 진단 등에 널리 사용되어 왔다. 

▲ (상단 왼쪽부터) 서울시립대 생명과학과 최인희 교수, 한승연 석사, 안현지 석사, (하단) 하버드 메디컬 스쿨 루크 리 교수, 서강대학교 기계공학과 김동철 교수, 곽태진 박사

연구팀은 자발적인 계면 반응에 의해 플라즈몬 금 나노입자가 결합되어 있는 구형의 광학 우물구조의 빛을 열로 전환할 수 있는 특성을 이용해 중합효소연쇄반응을 가속화할 수 있는 반응기로서 확장하는 연구를 수행하였다.

플라즈몬 광학 우물구조는 중합효소연쇄반응의 반응기로 사용되며, 구형의 구조적 특성으로 인해 빛을 내부에 가둘 수 있다. 이 구조는 즉시 광-열 전환을 가능하게 하며, 온도 분포로 인해 형성되는 대류 흐름을 통해 분자를 농축시켜 반응 속도를 가속화한다. 시뮬레이션 계산에 따르면, 플라즈몬 광학 우물구조의 높은 광열 전환효율과 분자 농축 능력은 기존의 열 순환기를 사용한 방법에 비해 반응 속도를 5배 이상 빠르게 만들 것으로 예상된다.

▲  광학 우물구조 기반의 중합효소연쇄반응(PCR) 가속화 기술의 개요도

따라서 플라즈몬 광학 우물구조에 조사되는 빛의 패턴을 조절함으로써 반응물의 신속한 가열과 냉각을 가능하게 하는 열주기를 효과적으로 구현할 수 있었으며, 30사이클의 중합효소연쇄반응을 평균 11분 30초 이내에 완료하여 플라즈몬 광학 우물 플랫폼의 효율적인 핵산 증폭 성능을 확인하였다. 

해당 연구 결과는 나노과학기술 분야 세계적 권위를 가진 국제 학술지인 미국화학회(American Chemical Society, ACS)의 ‘나노레터스 (Nano Letters)’에 'Plasmonic Optical Wells-Based Enhanced Rate PCR'라는 제목으로 최신호에 (2월 7일) 온라인 게재되었다.

본 연구는 한국연구재단 중견연구과제와 미공군 과학연구실 지원사업의 지원으로 수행되었으며, 생물학연구정보센터(BRIC)의 '한국을 빛내는 사람들 (한빛사)'에 소개되었다.

이 기술의 개발을 통해, 바이러스를 더 빠르게 감지하고, 이를 통해 감염병의 확산을 더욱 효과적으로 막을 수 있을 것으로 기대됩니다.