연세대학교(총장 서승환) 화공생명공학과 함승주 교수 연구팀이 아프리카 돼지 열병에 대한 신속현장진단 검사 플랫폼을 개발함으로써 2022년 9월 기준 연간 시장 규모가 약 250억 달러에 달하는 양돈 분야의 주요 문제에 대한 해결책을 제시했다.

아프리카 돼지 열병 (ASF)은 전염성이 매우 강하고 치명적인 바이러스인 아프리카 돼지 열병 바이러스 (ASFV)에 의해 발생한다. 바이러스는 급성 및 출혈성 질병을 일으키며, 95~100%에 달하는 치사율을 가지는 것으로 알려져 있다. 아프리카 돼지 열병의 발생은 전 세계의 돼지 개체군을 황폐화시켜 인류의 건강 및 식량 안보에 심각한 영향을 미칠 뿐만 아니라, 상용화된 치료법이나 백신이 없어 감염된 동물을 신속하게 격리하기 위한 진단 방법의 개발이 요구된다.

연세대 함승주 교수팀이 개발한 신속현장진단 검사 (Point-of-care diagnostic platforms)는 혼성화 연쇄 반응 (HCR) 및 자성 나노클러스터를 사용한 휴대용 크로마토그래피 장치를 포함한다. 이에 따라, 유전자 증폭에 필요한 조건인 고온 환경을 갖추기 위한 장치와 중합 효소가 필요하지 않아 기존의 진단 방식에 소요되는 시간 및 인력, 비용을 효과적으로 절감할 수 있다. 실험실 환경에서 30분 이내에 시각적 신호로 진단 표적의 존재 유무를 판단할 수 있으며, 19.8 피코 몰 농도의 매우 낮은 한계농도를 가진다.

연구팀은 아프리카 돼지 열병 바이러스의 진단을 위해 DNA로 개질된 자성 나노클러스터를 합성하고, 친밀도 크로마토그래피 목적의 진단 키트를 제작하였다. 여기서 DNA는 바이러스에 포함된 표적 DNA와의 혼성화를 위한 프로브로서 합성되었다. 표적 DNA가 시료 상에 존재할 경우, 증폭된 DNA가 자성 나노클러스터를 감싸면서 키트 내에 분포된 세파로스 비드와의 친밀도가 감소하여 결합하지 못하고 통과하므로 표적 DNA의 존재 여부를 판별할 수 있다.

특히, 이번 연구의 핵심은 DNA 프로브 및 표적 DNA 간에 일어나는 혼성화 연쇄 반응에 있다. 중합효소 연쇄반응 (PCR)을 사용한 바이러스 진단 기법이 수 년간 연구되어 왔지만, 고온의 조건을 필요로 하며 온도 및 환경에 민감한 효소를 사용하여 고가의 기기와 숙련된 인력이 필요했다. 이번 연구를 통해 효소가 불필요하고 상온에서 진행할 수 있는 혼성화 연쇄 반응을 휴대용 진단 키트 작동의 필수적인 과정으로 활용하였으며, 관련 원천 기술을 확보하였다.

연세대 함승주 교수는 본 연구를 통해 “바이러스 검출 및 진단에 관한 다양한 분야에서 고성능 현장진단 및 비색감별 센서에 대한 수요가 커지고 있으며, 특히 ASFV는 전파력이 높고 치명적인 바이러스이므로 초기 진단과 대응이 매우 중요하다고 알려져 있다. 본 연구 성과를 통해, 기존의 바이러스 진단 방식에 대한 효과적인 개선이 가능하며, 높은 민감도를 가지는 혼성화 연쇄 반응 기반 비색감별 센서 개발의 원천기술을 확보했고, 향후 다양한 질병 진단 분야에 적용 및 응용될 수 있을 것으로 기대된다”고 전했다.

이번 연구는 환경부가 추진하는 생물학적위해인자관리기술개발사업과 과학기술정보통신부가 추진하는 나노소재기술개발사업, 개인기초연구사업, 전략형국제공동연구사업의 지원으로 함승주 교수 연구팀의 이 효 연구원 (공동 제1저자), 이소정 연구원(공동 제1저자)과 함께 진행됐으며, 세계적인 과학 분야 권위지 ‘스몰 (Small)’에 3월 24일자(현지시간)로 게재됐다.

Small (2023) (IF: 15.153)
Published: March 24, 2022
https://doi.org/10.1002/smll.202207117

출처: 연세대학교 화공생명공학과 (연세대 함승주 교수팀, 바이러스 신속 현장진단 검사 플랫폼 개발 혼성화 연쇄 반응과 기능성 자성 나노클러스터 및 친밀도 크로마토그래피 기술을 활용한 아프리카 돼지 열병 진단 플랫폼 확립. (yonsei.ac.kr))