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코로나19 바이러스 진단검사 '게임체인저들'이 온다

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코로나19 바이러스 진단검사 '게임체인저들'이 온다

2021.05.21 07:00
7000원으로 정확하게,1초 만에 신속하게 바이러스 검사
신종 코로나바이러스 감염증(코로나19) 유행이 1년을 넘어가면서 바이오센서 등 다양한 진단 기법이 나오고 있다. 세인트루이스 워싱턴대 제공
신종 코로나바이러스 감염증(코로나19) 유행이 1년을 넘어가면서 바이오센서 등 다양한 진단 기법이 나오고 있다. 세인트루이스 워싱턴대 제공

전 세계가 신종 코로나바이러스 감염증(코로나19)과 1년 넘게 사투를 벌이면서 코로나19 바이러스를 잡아내는 진단 기술도 함께 진화하고 있다. 최근 백신 접종율이 높아지면서 각국이 국경 봉쇄를 푸는 계획을 속속 내놓고 있어 출입국 과정에서 필요한 더 빠르고, 더 정확하며, 더 값싼진단 기술에 대한 수요는 계속 늘고 있다. 


특허청에 따르면 지난해 2월 이후 이달 초까지 국내에서 출원한 코로나19 진단 기술 특허는 189건으로 집계됐다. 이는 2002년 창궐한 사스(SARS·중증급성호흡기증후군) 진단 기술이 20건, 2013년 세계를 긴장시킨 메르스(MERS·중동호흡기증후군)가 33건 출원된 것과 비교하면 9배에 이르는 출원 건수다. 그만큼 검사 시간은 더 짧고, 결과는 더 정확하고, 사용법이 간편해진 다양한 기술들이 속속 등장하고 있다. 

미국 어바나샴페인 일리노이대 연구진이 개발한 신종 코로나바이러스 감염증(코로나19) 바이러스 검출기 ′스폿(SPOT)′ 프로토타입. 분자진단법을 개선해 정확도를 높였고, 쉽고 간편하고 저렴하게 바이러스를 진단한다는 장점이 있다. 네이처 커뮤니케이션스 제공
미국 어바나샴페인 일리노이대 연구진이 개발한 신종 코로나바이러스 감염증(코로나19) 바이러스 검출기 '스폿(SPOT)' 프로토타입. 분자진단법을 개선해 정확도를 높였고, 쉽고 간편하고 저렴하게 바이러스를 진단한다는 장점이 있다. 네이처 커뮤니케이션스 제공

 

 

 

○ 실험실 수준 정확한 검사 결과 30분내 나오고 검사비 7000~8000원

미국 어바나샴페인 일리노이대 연구진은 침에서 30분 만에 정확하게 코로나19 바이러스를 검출하는 휴대용 장치 ‘스폿(SPOT)’을 개발해 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스’ 18일자에 공개했다.

 

스폿은 현재 코로나19 바이러스 신속 검사 방법 중 하나인 ‘역전사 고리매개등온증폭법(RT-LAMP)’을 쉽고 간편하게 쓸 수 있는이동형 검출기로 개선했다는 점에서 주목받고 있다. 
연구진이 활용한 RT-LAMP는 핵산을 증폭해 바이러스를 찾아낸다는 점에서 국내 표준 검사법인  ‘실시간 역전사 중합효소연쇄반응법(qRT-PCR)과 같다.

 

차이점이라면 qRT-PCR이 중합효소를 이용해 핵산을 증폭하고 이 과정에서 온도를 95도, 55도, 72도 등으로 계속 바꿔주지만, RT-LAMP는 60~65도의 일정한 온도에서 핵산을 증폭하는 등온증폭법을 이용한다. 유전자 가위 진단법도 가이드 RNA가 코로나19 바이러스의 유전자를 인식해 유전자가위로 핵산을 절단하기 전 등온증폭법을 이용해 핵산을 증폭하는 방식이어서 넓은 의미에서는 등온증폭법에 속한다. 


하지만  qRT-PCR은 검사에만 4~6시간이 걸리고, 검사 결과가 나오기까지는 24시간 이상 걸린다. 정확도는 높지만 시간이 오래 걸리는 게 단점이다. 등온증폭법은 30분 안에 바이러스 조각을 확인할 수 있지만, 60도 부근에서 핵산 증폭 효율이 떨어지고 전문 장비를 갖춰야 분석이 가능하다. 


연구진은 95도의 고온에서 코로나19 바이러스의 특정 조각에 결합해 이 조각만 증폭할 수 있는 특수 제한효소를 이용해 증폭 효율이 떨어지는 문제를 보완했다. 또 검출기에 들어가는 대부분의 부품을 3D 프린팅으로 인쇄해 작고 손쉽게 조립할 수 있게 만들었다. 바이러스 감염 초기 일주일간은 침에서 바이러스 활성이 높다는 사실을 이용해 콧속에서 면봉으로 검체를 채집하는 대신 간편하게 침으로 대신했다. 

 

연구진이 침 샘플 104개를 이용해 스폿의 성능을 조사한 결과 코로나19 양성 샘플 30개에서 28개를, 음성 샘플 74개에서는 73개를 정확히 식별했다. 연구진은 인플루엔자 등 다른 바이러스가 코로나19 바이러스와 섞여 있어도 스폿이 코로나19 바이러스만 정확히 찾아냈다고 설명했다. 

 

연구를 이끈 후이민 자오 일리노이대 생물공학부 교수는 “스폿의 프로토타입을 개발했으며, 시판할 경우 78달러(약 8만8000원)쯤 될 것”이라며 “검사 비용은 회당 6~7달러(약 6800~8000원)로 저렴하다”고 말했다. 

 

정규열 포스텍 화학공학과 교수는 “증폭 효율이 떨어지는 등온증폭법의 한계를 제한효소를 이용해 검출 정확도로 극복한 게 특징”이라며 “기초 연구를 토대로 프로토타입까지 완성했다는 점에서 의미가 있다”고 평가했다. 

 

 

○ 반도체 소자 이용해 1초 만에 신속 검출

코로나19 감염자를 판별하는데 사용되는 검사법은 나라마다 다르다. 분자 진단법은 항원이나 항체를 검출하는 면역 진단법보다 정확도가 훨씬 높아 대다수 나라에서 표준 검사법으로 쓰고 있다. 대한진단검사의학회와 질병관리청이 지난해 12월 펴낸 ‘코로나바이러스감염증-19 검사실 진단 지침’에 따르면 국내에서는 분자 진단법 가운데 qRT-PCR만 표준 검사법으로 채택하고 있다.

 

반면 미국 질병통제예방센터(CDC)는 qRT-PCR 외에 RT-LAMP, 유전자가위 검사법(CRISPR) 등 분자 진단법 7종을 표준 검사법으로 인정하고 있다. 지금도 인도 등을 중심으로 확진자들이 쏟아지고 백신 접종율이 획기적으로 올라갈 때까지 감염자가 계속 나오는 상황에서 새 검사법에 대한 요구는 점점 커지고 있다.

 

미국 플로리다대가 반도체 소자를 이용해 개발한 신종 코로나바이러스 감염증(코로나19) 바이러스 검출기. 연구진은 1초 만에 검출할 수 있다고 설명한다. 플로리다대 제공
미국 플로리다대가 반도체 소자를 이용해 개발한 신종 코로나바이러스 감염증(코로나19) 바이러스 검출기. 연구진은 1초 만에 검출할 수 있다고 설명한다. 플로리다대 제공

반도체 소자를 이용한 바이오센서로 1초 만에 코로나19 바이러스를 검출하는 측정기도 나왔다. 미국 플로리다대 연구진은 반도체 소자인 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET·모스펫)를 이용해 바이오센서를 개발했다고 미국물리학회가 발행하는 ‘진공과학&기술 B 저널’ 18일자에 발표했다. 


이 측정기는 시판되는 혈당측정기와 비슷하게 생겼다. 연구진은 모스펫을 인쇄한 기판과 그 위에 코로나19 바이러스의 스파이크 단백질(S 유전자)과 결합할 수 있는 항체를 얹어 바이오센서를 만들었다. 연구진은 항체에 코로나19 바이러스가 결합하면 전류가 흐를 수 있게 만들고, 이 전류를 모스펫으로 증폭시켜 바이러스 존재 여부를 확인했다. 바이오 센서를 일회용 측정지(strip)로 제작해 리더기에 넣고 간편하게 확인하는 방식도 장점이다.     


논문 교신저자인 스티븐 피어튼 플로리다대 재료공학과 교수는 “모스펫을 이용해 1초 만에 전기 신호가 얼마나 증폭되는지 확인할 수 있다”며 항체를 다른 종류로 바꾸면 코로나19 바이러스 외에 다른 바이러스도 검출할 수 있다”고 말했다.  

 

국내에서도 새로운 개념의 진단 센서가 개발되고 있다. 한국기초과학지원연구원은 지난해 전기가 잘 통하는 차세대 물질인 그래핀을 이용해 1분 만에 코로나19 바이러스를 진단하는 바이오센서를 개발했다. 서기완 기초지원연 전문사업연구원은 “내년 7월을 목표로 휴대용 검출기 형태로 만들기 위해 소형화 연구를 진행하고 있다”고 말했다. 

 

신종 코로나바이러스 감염증(코로나19) 유행이 1년을 넘어가면서 바이오센서 등 다양한 진단 기법이 나오고 있다. 세인트루이스 워싱턴대 제공
신종 코로나바이러스 감염증(코로나19) 유행이 1년을 넘어가면서 바이오센서 등 다양한 진단 기법이 나오고 있다. 세인트루이스 워싱턴대 제공

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