장아성 학생(지도교수 임동권), 

코로나 표적 핵산

라만분광기반 초고감도 검출 기술 개발

▲ 왼쪽부터 KU-KIST융합대학원 장아성 석사과정생, Dr.Praveen Kumar, 임동권 교수

  자성나노입자(MMP)표면에 COVID-19 virus의 RNA와 결합가능한 DNA염기서열을 결합시키고, 형광신호를 나타내는 염기서열(signal probe)과 결합시켜 표적염기 서열과의 상보결합을 통해 표적염기서열의 검출이 가능하다. MMP 표면에 결합된 신호물질의 형광신호를 측정하는 방법과 함께, MMP 표면에서 신호물질을 분리시켜 은나노입자와 함께 응집체를 형성시켜 라만 신호를 측정하는 방법을 비교 분석하였다. 형광신호를 기반으로 측정하는 경우 수 pM이하의 농도로 존재하는 표적핵산의 존재를 구별하는 것이 불가능하였으나, 라만신호를 기반으로 측정하는 경우 약 10 aM의 농도로 존재하는 표적의 농도도 3개 유전자 (RdRp, E gene, N gene)을 정확하게 구별할 수 있었다. MMP-SERS 기반의 assay 기법의 검출성능를 더욱 개선하고자, 기존의 구형의 은 나노입자외에도 star shape, 삼각형 plate, 또는 사각형 cube 구조의 은나노입자를 합성하여, 신호물질과의 응집체를 만들어 용액상에서의 라만 분석과 함께 Spot의 라만 맵핑을 통하여 검출한계를 분석하였다. 그림 1에 표시된 바와 같이 sphere 형태 보다는 star shape, 또는 triangle plate구조가 더욱 높은 라만 신호 증폭효과를 나타내었다.

  라만 분광법은 형광신호보다 풍부한 분광학적 정보를 얻을 수 있는 분석방법 중에 하나이지만, 신호의 세기가 매우 낮아 플라즈몬 나노입자 또는 구조를 활용하여 광학적 신호를 증폭(표면증강라만산란(SERS))하여 bioanalysis에 다양한 형태로 응용이 되고 있다. 그러나 표면증강라만산란 신호의 경우에도 나노입자의 불규칙한 응집 및 시간에 따른 응집도의 변화등 다양한 원인으로 라만신호의 재현성이 낮은점이 라만 신호를 활용한 응용의 확대에 큰 걸림돌이 되고 있었다.
  본 연구에서는 나노입자에 의한 비특이 결합을 최소화 하고, 신호물질과 은나노입자간의 응집도를 정확하게 조절하여 fM이하의 낮은 타겟 농도 영역에서도 높은 신호재현성을 나타내는 방법을 적용하여, 10 aM의 표적 핵산이 존재하는 경우에도 검출이 가능한 assay platform 기술을 확립하였다. MMP표면에는 수만개 이상의 핵산 염기서열의 결합이 가능하기 때문에, 궁극적으로 많은 종류의 서로 다른 염기서열 표적을 효과적으로 검출할 수 있는 기법으로 확장이 가능하다.

  본 연구 결과는 2021년 12월 16일 Applied Materials and Interface (IF: 9.229)에 “Attomolar Sensitive Magnetic Microparticles and a Surface-Enhanced Raman Scattering-Based Assay for Detecting SARS-CoV-2 Nucleic Acid Targets”의 제목으로 온라인 게재(표지논문으로 선정)되었다.

그림 1. (a) MMP-SERS 기반 assay 모식도, (b) 은나노입자 모양에 따른 SERS 효과 비교, (c) 표지 그림