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고려대, 기존 진단기술 백만배 이상의 초고감도 갖는 나노바이오 진단기술 개발
뉴스와이어 | 입력 2009.03.09 07:10
(서울=뉴스와이어) 고려대학교(총장 이기수) 학제간 연구팀(화공생명공학과 이지원 교수 및 신소재공학부 김영근 교수)은 최근 급성심근경색증(acute myocardinal infarction, AMI) 환자에게서 나타나는 트로포닌 I(troponin I) 질병마커의 조기진단과 관련하여, 기존의 효소면역검지(enzyme linked immunosorbent assay, ELISA) 방법보다 무려 백만~천만 배 이상의 초고감도 진단이 가능한 '나노바이오 플랫폼 진단기술' 개발에 성공하였다.
이러한 연구결과는 유전공학적으로 재설계된 바이러스 단백질 나노입자와 3차원 나노구조체를 이용한 것으로, '나노기술 분야의 최고 권위의 학술지인 영국의 '네이쳐 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)' 3월 8일자 온라인 판에 "A highly sensitive and selective diagnostic assay based on virus nanoparticles"란 제목으로 게재되었다.
본 나노바이오 진단기술은 2차원 평면형 프로브-표적 간 반응을 이용하는 기존의 검지방법(ELISA)에 비해 민감도(low sensitivity) 및 특이도(non-specificity)를 획기적으로 증가시키는 기술이다. 즉, 유전공학적으로 재설계된 바이러스 나노입자를 이용하여 항체 프로브의 배향성 문제를 근원적으로 해결함과 동시에 부피대 표면적 비율이 매우 높은 Ni 나노헤어(nanohair)와 같은 3차원 입체형 나노구조물 기판을 활용함으로써 기존 진단방법의 단점을 효과적으로 극복한 매우 획기적인 조기진단 방법이다. 특히, Ni 나노헤어 구조를 부착한 기판은 반복적으로 재사용(reusable) 이 가능하고, 바이러스 단백질 나노입자의 경우는 미생물을 이용하여 대량생산이 용이하다는 특징이 있어 경제성이 높다는 장점이 있다.
고려대 연구팀은 "이번에 개발된 기존대비 백만~천만(106~7)배 이상 검지능력을 높인 초고감도 나노바이오센서 기술은 급성심근경색증뿐만 아니라, 다양한 질병마커를 조기에 확실하게 진단할 수 있는 플랫폼 기술이라는데 더욱 의미가 있다"라고 덧붙였다.
본 연구팀은 재설계된 바이러스 단백질 나노입자를 Ni-나노헤어 구조[양극산화 알루미늄 나노틀 안에 니켈(Ni) 나노선을 노출시킨 구조]와 나노기공을 갖는 고분자(PVDF) 멤브레인에 물리화학적으로 결합시킴으로써 항체 프로브를 나노표면에 방향성 있게 배열함과 동시에 3차원적 부피 대 표면적 비율 증가로 항체 집적도를 극대화 시킬 수 있었다. 다음으로 시료와 1차 항체, 양자점이 연결된 2차 항체를 차례로 반응시키면 질병마커 검지 시 양자점이 연결된 2차 항체의 발광(Photoluminescense)을 이용하여 질병마커를 검지할 수 있는 3차원 기반의 질환진단 플랫폼 기술을 구현하였다. 이러한 플랫폼은 복잡한 공정 없이 수월하게 구현될 수 있기 때문에 생산성 및 생산비용 측면에서 큰 장점을 지닌다.
본 연구는 교육과학기술부 국가지정연구실 사업 및 미래유망 융합기술 파이오니어 사업의 일환으로 진행되었으며, 본 연구에는 고려대학교 공과대학 대학원생 박진승, 이은정, 조문규 연구원이 공동 주저자로 기여하였고, 의과대학 조윤정 교수, 생명과학대학 한성식 교수 및 강남성심병원 정재헌 교수 등이 참여하였다. 현재 이 기술과 관련하여 국내외 특허가 출원 중에 있다.
[용 어 설 명]
1. 네이쳐 나노테크놀로지 (Nature Nanotechnology): 나노기술 분야 세계 최고의 권위지로 영향지수(Impact Factor)는 14.917 임.
2. 트로포닌 I (Troponin I): 심근경색증 환자의 혈중에서 발견되는 단백질의 종류로서, 이의 존재가 검지될 시에는 심장에 이상이 있는 것으로 판단됨.
3. 재설계된 바이러스 단백질 나노입자: 유전공학기술을 이용하여 B형 간염 바이러스의 단백질(capsid) 나노입자의 표면에 특정 박테리아(Staphylococcus aureus) 유래의 protein A라는 단백질 및 hexahistidine 펩타이드(6개의 histidine 아미노산으로 구성된 펩타이드)를 고집적도로 노출시킨 변형 바이러스 단백질 나노입자. Protein A는 항체(immunoglobulin G)의 특정 부위(Fc domain)와 결합함으로써 항체 프로브 고정화 시 항체의 배향성을 향상시켜 항체의 질병마커 인지 능력을 획기적으로 증가시킬 수 있음. 또한, hexahistidine 펩타이드는 니켈과 특이적인 화학적 친화력을 지니고 있어 바이러스 단백질 나노입자를 니켈 나노헤어구조체에 효과적으로 결합시키는 기능을 갖고 있음.
4. 니켈 나노헤어구조 (Ni Nanohair Structure): 양극산화알루미늄(Anodized Aluminum Oxide, AAO) 나노틀 안에 니켈(Ni) 나노선을 합성한 후, 화학기계적평탄화(Chemical Mechanical Planarization, CMP)방법으로 나노선의 길이를 일정하게 만들고, AAO 나노틀을 반응성이온식각(Reactive ion etching, RIE) 공정을 이용하여 선택적으로 식각하여 나노선을 노출시킨 구조임.
5. PVDF 멤브레인 (Poly(vinyl difluoride) membrane): 미세 기공을 가진 폴리머 멤브레인으로서 본 연구에서는 평균 450 nm 크기의 기공을 가진 멤브레인을 사용하였으며, 그 표면위에 단백질이 쉽게 잘 붙는 성질을 가지고 있음.
출처:고려대학교
본 나노바이오 진단기술은 2차원 평면형 프로브-표적 간 반응을 이용하는 기존의 검지방법(ELISA)에 비해 민감도(low sensitivity) 및 특이도(non-specificity)를 획기적으로 증가시키는 기술이다. 즉, 유전공학적으로 재설계된 바이러스 나노입자를 이용하여 항체 프로브의 배향성 문제를 근원적으로 해결함과 동시에 부피대 표면적 비율이 매우 높은 Ni 나노헤어(nanohair)와 같은 3차원 입체형 나노구조물 기판을 활용함으로써 기존 진단방법의 단점을 효과적으로 극복한 매우 획기적인 조기진단 방법이다. 특히, Ni 나노헤어 구조를 부착한 기판은 반복적으로 재사용(reusable) 이 가능하고, 바이러스 단백질 나노입자의 경우는 미생물을 이용하여 대량생산이 용이하다는 특징이 있어 경제성이 높다는 장점이 있다.
고려대 연구팀은 "이번에 개발된 기존대비 백만~천만(106~7)배 이상 검지능력을 높인 초고감도 나노바이오센서 기술은 급성심근경색증뿐만 아니라, 다양한 질병마커를 조기에 확실하게 진단할 수 있는 플랫폼 기술이라는데 더욱 의미가 있다"라고 덧붙였다.
본 연구팀은 재설계된 바이러스 단백질 나노입자를 Ni-나노헤어 구조[양극산화 알루미늄 나노틀 안에 니켈(Ni) 나노선을 노출시킨 구조]와 나노기공을 갖는 고분자(PVDF) 멤브레인에 물리화학적으로 결합시킴으로써 항체 프로브를 나노표면에 방향성 있게 배열함과 동시에 3차원적 부피 대 표면적 비율 증가로 항체 집적도를 극대화 시킬 수 있었다. 다음으로 시료와 1차 항체, 양자점이 연결된 2차 항체를 차례로 반응시키면 질병마커 검지 시 양자점이 연결된 2차 항체의 발광(Photoluminescense)을 이용하여 질병마커를 검지할 수 있는 3차원 기반의 질환진단 플랫폼 기술을 구현하였다. 이러한 플랫폼은 복잡한 공정 없이 수월하게 구현될 수 있기 때문에 생산성 및 생산비용 측면에서 큰 장점을 지닌다.
본 연구는 교육과학기술부 국가지정연구실 사업 및 미래유망 융합기술 파이오니어 사업의 일환으로 진행되었으며, 본 연구에는 고려대학교 공과대학 대학원생 박진승, 이은정, 조문규 연구원이 공동 주저자로 기여하였고, 의과대학 조윤정 교수, 생명과학대학 한성식 교수 및 강남성심병원 정재헌 교수 등이 참여하였다. 현재 이 기술과 관련하여 국내외 특허가 출원 중에 있다.
[용 어 설 명]
1. 네이쳐 나노테크놀로지 (Nature Nanotechnology): 나노기술 분야 세계 최고의 권위지로 영향지수(Impact Factor)는 14.917 임.
2. 트로포닌 I (Troponin I): 심근경색증 환자의 혈중에서 발견되는 단백질의 종류로서, 이의 존재가 검지될 시에는 심장에 이상이 있는 것으로 판단됨.
3. 재설계된 바이러스 단백질 나노입자: 유전공학기술을 이용하여 B형 간염 바이러스의 단백질(capsid) 나노입자의 표면에 특정 박테리아(Staphylococcus aureus) 유래의 protein A라는 단백질 및 hexahistidine 펩타이드(6개의 histidine 아미노산으로 구성된 펩타이드)를 고집적도로 노출시킨 변형 바이러스 단백질 나노입자. Protein A는 항체(immunoglobulin G)의 특정 부위(Fc domain)와 결합함으로써 항체 프로브 고정화 시 항체의 배향성을 향상시켜 항체의 질병마커 인지 능력을 획기적으로 증가시킬 수 있음. 또한, hexahistidine 펩타이드는 니켈과 특이적인 화학적 친화력을 지니고 있어 바이러스 단백질 나노입자를 니켈 나노헤어구조체에 효과적으로 결합시키는 기능을 갖고 있음.
4. 니켈 나노헤어구조 (Ni Nanohair Structure): 양극산화알루미늄(Anodized Aluminum Oxide, AAO) 나노틀 안에 니켈(Ni) 나노선을 합성한 후, 화학기계적평탄화(Chemical Mechanical Planarization, CMP)방법으로 나노선의 길이를 일정하게 만들고, AAO 나노틀을 반응성이온식각(Reactive ion etching, RIE) 공정을 이용하여 선택적으로 식각하여 나노선을 노출시킨 구조임.
5. PVDF 멤브레인 (Poly(vinyl difluoride) membrane): 미세 기공을 가진 폴리머 멤브레인으로서 본 연구에서는 평균 450 nm 크기의 기공을 가진 멤브레인을 사용하였으며, 그 표면위에 단백질이 쉽게 잘 붙는 성질을 가지고 있음.
출처:고려대학교
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