- 국가독성과학연구소·아주대, 혈청 환경에서도 항체 검출 가능한 나노바이오센서 구현

이번 연구를 수행한 이재혁 국가독성과학연구소(KIT) 박사.[KIT 제공]
이번 연구를 수행한 이재혁 국가독성과학연구소(KIT) 박사.[KIT 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 혈액 속에서 항체를 검출하기 어려웠던 기존 바이오센서의 한계를 극복할 새로운 기술이 개발됐다.

국가독성과학연구소(KIT)는 환경안전성연구센터 이재혁 책임연구원과 아주대학교 공동연구팀이 이온 농도가 높은 환경에서도 항체를 검출할 수 있는 나노바이오센서 플랫폼을 개발했다고 11일 밝혔다.

기존 탄소나노튜브 기반 바이오센서는 높은 민감도를 갖지만 혈액이나 혈청처럼 이온 농도가 높은 환경에서는 검출 성능이 떨어지는 문제가 있었다.

연구진은 이 문제를 해결하기 위해 탄소나노튜브와 금 전극이 만나는 접합부에 주목했다.

탄소 원자가 원통형으로 배열된 단일벽 탄소나노튜브(SWNT)는 전기적 특성이 뛰어나 초고감도 센서 소재로 활용된다. 연구진은 이 소재와 금 전극이 맞닿는 부분에 형성되는 ‘쇼트키 접합(Schottky junction)’의 전기적 변화를 이용해 항체를 검출하는 새로운 방식을 구현했다.

이를 통해 이온 농도가 높은 환경에서도 항체 결합에 따른 신호를 확인할 수 있도록 했다.

연구진은 개발한 센서의 성능을 확인하기 위해 인간면역결핍바이러스(HIV-1)에 대한 항체를 검출 대상으로 활용했다.

그 결과 혈청과 같이 이온 농도가 높은 조건에서도 항체가 센서에 결합할 때 발생하는 전기적 신호를 확인하는 데 성공했다.

특히 항체 농도에 따라 전기적 신호가 달라지는 현상도 확인했다. 단순히 항체의 존재 여부를 확인하는 것을 넘어 농도까지 측정하는 정량 분석 기술로 발전할 가능성을 제시한 것이다.

이번 기술은 HIV-1 항체를 이용해 작동 원리를 검증했지만, 센서 표면의 인식물질을 바꾸면 다양한 항체와 단백질, 바이오마커 검출에도 활용할 수 있다.

기존 바이오센서와 쇼트키 접합 기반 나노바이오센서의 검출 원리 비교.[KIT 제공]
기존 바이오센서와 쇼트키 접합 기반 나노바이오센서의 검출 원리 비교.[KIT 제공]

연구진은 향후 나노바이오센서를 인간 유래 줄기세포 기반 3차원 세포배양체와 오가노이드에 결합하는 연구를 추진할 계획이다.

이를 통해 약물이나 환경유해물질에 노출된 세포와 조직의 반응을 실시간으로 측정하고, 인체 내 독성 반응을 보다 정밀하게 분석하는 기술로 확장한다는 구상이다.

이재혁 책임연구원은 “이번 연구는 실제 생체환경에서 문제가 되는 전기적 신호 차폐 현상을 단순히 회피하는 것이 아니라 탄소나노튜브와 금 전극의 접합부에서 발생하는 전기적 변화를 이용해 신호를 검출하는 새로운 접근법을 제시했다”고 설명했다.

이어 “향후 3차원 인간 유래 줄기세포와 오가노이드에 결합해 살아있는 세포와 조직의 반응을 실시간으로 측정하고, 독성물질의 영향을 정밀하게 평가하는 인체모사형 바이오센싱 플랫폼으로 발전시키겠다”고 말했다.

이번 연구결과는 바이오센서 분야 국제학술지 ‘Biosensors and Bioelectronics’에 지난 9월 4일 온라인 게재됐다.


nbgkoo@heraldcorp.com