KIST, 다중 PCR 진단 기술개발

국내 연구진이 바이러스 진단기술인 실시간 PCR(polymerase chain reaction, 중합효소 연쇄반응)의 정확성을 높이고 비용과 시간을 획기적으로 줄이는 기술을 개발했다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 직무대행 윤석진) 분자인식연구센터 김상경 박사팀은 실시간 PCR을 수 차례 하지않고 한 번에 수십 종까지 간편하게 검출하는 기술을 개발했다고 15일 밝혔다.

COVID-19 등의 고위험 바이러스는 RNA를 DNA로 만드는 과정인 ‘역전사’를 하고, ‘실시간 PCR’을 진행하는 ‘RT qPCR’로 검출하는 것이 세계적인 표준이다.

코로나 19의 팬데믹 이후에 한국의 진단기술, K-진단은 역전사와 PCR을 one-step에 진행하고, 이를 4종까지 한 번에 검출하는 제품을 출시하여 높은 정확도로 진단의 우수성과 경쟁력을 전 세계에 증명하였다. 여기에 기술적 우위를 더 강화할 수 있는 원천기술을 축적하여 향후 지속적이고 장기적인 성장을 이끄는 것이 새로운 숙제이다.

이제까지의 RT qPCR은 3~4종의 유전자의 신호를 각각 다른 형광색을 내도록 하여 구분하였다. 그런데 5종 유전자 이상의 광범위한 다중분석은 기술적으로 한계에 부딪힌 상황이다.

이를 돌파할 수 있는 전략으로, KIST 연구진은 역전사와 PCR을 모두 수행할 수 있는 직경 500㎛의 다공성 미세입자를 개발하고 각 입자에 식별할 수 있는 패턴을 새겨 넣었다. 이런 미세입자 여러 개를 한 번에 넣고 신호를 읽으면 입자의 수만큼 광범위한 동시 분석이 가능하게 된다.

KIST 김상경 박사팀은 인플루엔자 등의 6종 유전자를 동시에 분석하였고 20종 이상 한 번에 검출하는 칩도 개발한 바 있다. (Adv. Healthcare Materials 2020, 9, 1900790.)

KIST 연구진은 위 연구에 이어서, 단백질 생산을 조절하는 새로운 유전 물질인 마이크로 RNA(miRNA) 분석에 최적화된 미세입자를 개발하였다. miRNA는 화학적으로 RNA와 같은 성질을 가지지만 그 길이가 매우 짧아서 기존 방식으로 RT qPCR을 설계할 수 없다.

KIST 정승원 박사는 짧은 RNA에 특화된 고리 형태의 프라이머를 입자내에 고정하여 역전사한 후, 그 입자에서 PCR 반응까지 완료하는 형태를 고안하였다.

이를 통하여 miRNA 분석의 복잡한 단계를 줄이고 소요 시간을 1시간 이내로 단축하였다. 이 경우에도 포함된 입자수에 따라 여러 가지 miRNA의 양을 동시에 확인할 수 있어서, 향후에는 일반적인 RNA 분석에서 처럼 one-step 으로 수십 종까지 검출할 수 있을 것으로 기대된다.

연구책임자인 김상경 박사는 “본 연구는 입자 기반의 진단기술(qPCR) 방식이 여러 개의 유전자 정보를 통하여 진단의 정확성과 효율을 높이는데 돌파구가 될 수 있음을 보여주었다. 특히 RNA 분석에 기술적 우위를 점하는데 기여할 것이다”라며 “또한, 여러 개의 유전자 마커로 단일질환의 진단 정확성을 높이는 것뿐만 아니라, 증상이 유사한 여러 감염병이 유행할 때 감염원을 정확히 감별하는 데에도 효율적으로 적용될 수 있다.”라고 밝혔다.

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 한국연구재단 중견연구자지원사업과 국가과학기술연구회(NST) 창의형융합연구사업으로 수행되었으며 분석과학 분야 국제학술지인 Biosensors & Bioelectronics(IF : 9.518, JCR 분야 상위 0.595%) 최신호에 게재되었다.

* (논문명) In-particle stem-loop RT-qPCR for specific and multiplex microRNA profiling (Biosensors and Bioelectronics, 163, 112301, 2020)

- (제 1저자) 한국과학기술연구원 정승원 박사후연구원(現, University of Michigan 연구원)

- (교신저자) 한국과학기술연구원 김상경 책임연구원