기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 첨단연성물질 연구단(단장 스티브 그래닉) 조윤경 그룹리더(UNIST 바이오메디컬 공학과 교수) 연구진은 혈액·소변을 이용해 암과 같은 질병을 현장에서 바로 진단할 수 있는 다공성 금 나노전극 기반 바이오센서를 개발했다. 연구진은 이번에 개발한 바이오센서로 전립선암 진단에 성공했고 이 기술은 앞으로 병원체 및 기타 질병진단 분야에서 활용 가능할 것으로 기대된다.

소변·혈액 생체시료에는 건강 상태를 알려주는 바이오마커가 포함되어 있어 이를 분석하면 질병 여부를 알 수 있다. 정확한 진단을 위해서는 질병과 관련이 있는 바이오마커를 분리·정제해야 하나 현재는 대형의료시설이나 실험실에서 샘플 분석이 가능해 시간과 비용이 많이 소요된다. 특히 코로나19와 같은 전염병 대유행 시기에는 동시에 수많은 샘플을 분석해야하기에 의료 시스템이 포화 상태에 이를 수 있다.

현장진단기기는 간단하고 빠르게 진단할 수 있고 비용측면에서 효율적이지만, 암이나 감염성 질환을 진단하기에는 기술적인 어려움이 있다. 암이나 감염성 질환 관련 바이오마커는 혈액 등 생체시료에 매우 소량만 존재해 극도로 민감한 탐지 기술이 필수적이다. 민감도를 높이기 위해선 전극의 표면적을 늘리면 되지만, 이는 오염도 역시 증가시키는 문제가 있다.

연구진은 민감도와 정확도가 높은 바이오센서 제작을 위해 다공성 금 나노 전극을 개발했다. 이를 활용해 엑소좀과 같은 바이오마커를 분리 정제하는 복잡한 단계를 거치지 않고도 생체시료로 현장에서 전립선 암 진단이 가능함을 확인했다.

이번에 개발한 다공성 금 나노전극은 미셀이 있는 염화나트륨 용액에 평평한 금 표면을 넣고 반복적인 전기를 가해 구현했다. 미셀은 민들레씨 같은 구형태로 머리는 물과 친하고 꼬리는 기름과 친한 막대 모양의 계면활성제가 모여있는 집합체를 말한다. 전기 펄스에 의한 전기화학적 산화환원 반응을 통해 평평한 금전극 표면에서 금을 에칭(부식)하고, 재흡착시킴으로써 나노구조를 성장시키고 나노미터 크기의 구멍을 형성하는 반응을 유도했다. 이 과정에서 미셀은 에칭되어 떨어져 나온 금입자가 용액 속으로 확산되는 것을 막고, 다시 금전극 표면에 흡착되도록 하는 중요한 역할을 했다.

이런 방법으로 넓은 표면적을 만들어내 센서의 민감도를 높이는 한편 나노미터 크기의 구멍을 형성해 샘플의 오염을 방지했다. 연구진은 이를 이용해 소변과 혈장에서 암세포 유래 엑소좀에 붙어있는 단백질을 검출하며 전립선암 환자 그룹과 건강한 기증자 그룹을 구별했다.

조윤경 그룹리더는 “이번 기술은 현장진단기기의 미래 기술 개발에 핵심 발판을 제공할 것”이라며 “앞으로 다공성 금나노 구조의 잠재력을 활용해 혈액·타액 샘플을 분석하는 진단 칩 개발 등으로 연구를 확대할 예정이다”고 말했다.

이번 연구 결과는 세계적인 권위지인 어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials, IF 30.849) 誌에 5월 17일 온라인 게재됐고 표지 논문 (frontispiece)으로 선정되었다.

*본 연구 성과 보도자료는 IBS 커뮤니케이션팀 주관으로 작성되었습니다.(바로가기)

논문명:  SEEDING to Enable Sensitive Electrochemical Detection of Biomarkers in Undiluted Biological Samples