서울대 교수팀, ‘초저농도 표적 유전자 진단 원천기술’ 개발

[이데일리 김현아 기자] 서울대학교(총장 성낙인) 자연과학대학 화학부 남좌민 교수팀이 유동성 있는 생체모방 지지형 지질 이중층 (supported lipid bilayer, SLB) 위에서 DNA가 수식된 금 나노입자의 결합 및 해리 반응의 동력학적 현상을 실시간으로 분석해 수십에서 수천 가닥 정도의 미량의 표적 유전자를 정밀하게 정량화하는 원천기술을 세계 최초로 개발했다.

두 개의 금 나노입자 사이에서 단일 가닥의 표적 DNA가 가역적으로 혼성화하는 반응 과정을, 개개의 금 나노입자가 이합체로 결합되었다가 해리되면서 변화되는 산란 (scattering) 신호로부터 파악한 것이다.

이를 통해 수십 가닥의 DNA조차도 쉽게 정량할 수 있었으며 유전자 반응을 단일 가닥 수준으로 관측할 수 있는 기틀을 마련했다는 평가다.

연구진은 향후 다양한 유전자와 관련된 질병의 조기진단 및 치료에 응용 가능하며 탄저균 등 바이오 테러 물질의 조기 발견 또는 정밀한 유전자 수사에 도움을 줄 것으로 기대했다.

◇미래부 글로벌프론티어연구개발사업 지원받아

이 연구는 미래부의 글로벌프론티어연구개발사업의 일환으로 추진중인 바이오나노 헬스가드 연구단 (과제명 : 3D 조합 플라즈모닉 나노다면체 프로브 개발)의 지원과 한국연구재단 도약 연구사업의 지원을 받고 있다.

또한 미래부 미래유망융합기술파이오니어 사업의 지원을 받았다.

서울대에서 개발한 본 기술은“Associating and Dissociating Nanodimer Analysis for Quantifying Ultrasmall Amounts of DNA (결합-해리 나노이합체 분석법을 이용한 초저농도의 DNA 정량)”라는 제명으로 화학분야 세계적 권위지인‘앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition, IF 11.994)’ 誌 온라인 판에 ‘주목할 만한 논문(hot paper)’으로 선정되기도 했다.

해당 논문은 7월10일 9시(한국시간)에 게재됐다. 본 연구성과는 앙게반테 케미 편집국에서 학계와 대중을 상대로 홍보할 만한 연구결과로 선정하여 저널에서 자체적으로 국제 언론 홍보(press release)를 하기로 결정했다.

◇바이오 테러방지 위험 최소화 가능

이번 연구는 질병 진단, 법의학적 표적 물질 검지 또는 바이오 테러 방지와 관련하여 위험을 최소화 하고 치료의 효과를 극대화하기 위해, 발생 초기 진단 및 치료 후 회복에 관련한 최적의 정보를 얻을 수 있는 기술이다.

본 연구에서 개발된 검지 기법은 결합-해리 나노이합체 분석법 (Associating and Dissociating Nanodimer Analysis, ADNA) 이라고 불리는 새로운 분석법이다.

세포모방 지지형 지질 이중층 플랫폼을 이용하여 표적 DNA와 나노입자들 사이에 동력학적 거동을 분석하는 도중 4종류의 나노이합체 (nanodimer)를 발견할 수 있었고, 그 중 해리형 나노이합체 (dissociating nanodimer)에서 비특이적인 결합에 의한 위양성 신호없이 표적 DNA에 의한 실제 신호만을 방출한다는 것을 발견할 수 있었다.

이 현상을 이용하여, 표적 DNA에 의해 발생하는 해리형 나노이합체의 동적인 (dynamic) 신호로부터 수십 가닥의 표적 유전자를 정확하게 정량할 수 있었다. 또한, 혈청 환경에서도 검지능력이 유지되는 것을 보임에 따라, 차후 임상적으로 활용 가능한 고신뢰성, 초고감도의 표적 유전자 검지 기술로의 발전 가능성을 제시하였다.

본 검지 기법은 기존 검지 플랫폼을 진일보 시킨 기술로, 증폭 기술의 사용 없이도 정밀하게 초저농도에서 수십 개의 표적 유전자까지도 정량할 수 있는 획기적인 기술이며, 초저농도에서 염기쌍 하나만 다른 DNA를 구별하는 단일염기 부정합 검지 (single-base mismatch detection)까지도 가능한 새로운 초고감도 유전자 검지 기술이다.

◇유전병 조기 진료 가능

이 기술은 각 유전자들에 대한 동력학적 분석을 통해 얻은 정보를 바탕으로, 극미량의 표적 유전자를 증폭 없이 수십 개에서 수천 개 까지 정밀하고 정확하게 검지하고 정량할 수 있는 원천기술이다.

유전자 이외의 다양한 생체분자 물질에서도 동력학적 반응에 대한 분석이 손쉽게 이루어 질 수 있을 것으로 보여지며, 현재까지 바이오 마커로서 개발된 다양한 생체분자들에 관련된 정보들을 바탕으로 매우 미량의 시료에서도 관심있는 바이오 마커에 대한 분석이 가능할 것으로 보여진다.

이는 국민 보건에 위협이 되는 암 등의 다양한 질병들을 조기에 발견하여 완치율을 높이며, 2차 3차의 재발과 회복에서 오는 비용 문제를 해결하여 경제적 부담을 줄일 수 있게 할 전망이다.

또한, 연구진은 인류를 크게 위협하는 유행성 바이러스 및 박테리아 등을 손쉽게 스크리닝할 수 있는 헬스가드 (Health-Guard) 기술에도 본 기술을 접목시킬 예정이다.