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성과명감염성 병원체 실시간 고감도 검출 기술 개발

Rapid and highly sensitive pathogen detection by real-time DNA monitoring using a nanogap impedimetric sensor with recombinase polymerase amplification(Biosensors and Bioelectronics (IF: 10.618, 2020년 기준))

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지원사업
글로벌프론티어사업
지원 기관
과학기술정보통신부
연구 기관
한국생명공학연구원
연구자
이현정, 이소연, 권정선
발표일
2021-01-29
조회수
90

감염성 병원체 실시간 고감도 검출 기술 개발


5분 만에 시료 속 단일사본의 표적 DNA 증폭 판독하여 병원성 대장균 검출



개요

재단법인 바이오나노헬스가드연구단(단장 신용범) 연구팀이 병원체의 핵산증폭반응 실시간 모니터링에 기반한 고감도 병원체 검출기술을 개발했다고 밝혔다. 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 글로벌프론티어사업의 지원으로 수행된 연구의 성과는 국제학술지 ‘바이오센서스 앤드 바이오일렉트로닉스(Biosensors and Bioelectronics)’를 통해 1월 29일 소개되었다.


연구 내용

본 연구에서는 병원체의 표적 DNA를 등온 핵산증폭방법 중 하나인 재조합 중합효소 증폭 (RPA) 방법을 이용하여 병원체의 표적 DNA 증폭을 실시간으로 모니터링 하는 나노갭 임피던스 센서를 개발하였다. 재조합 중합효소 반응에서는 등온(39℃)에서 표적 DNA 증폭이 일어난다. 병원성 대장균 O157:H7 검출을 위해 100nm 간격의 대향(opposing) 금 전극으로 이루어진 나노갭 전극 칩을 재조합 반응용액에 담그고, 반응 동안 매 분마다 용액 임피던스 변화를 측정하여 표적 DNA 증폭을 확인하였다. 그 결과, 개발한 나노갭 임피던스 센서는 5분 만에 병원성 대장균 O157:H7의 표적 DNA 단일사본(1 카피)의 증폭을 검출하였고, 또한 병원체 용해물을 이용한 직접 RPA 하에서 병원성 대장균 O157:H7 균주의 단일 세포에서의 증폭까지 검출하였다. 나노갭 전극으로 전극의 분극현상을 감소시켜 신호손실을 효과적으로 줄임으로써 시료의 미세한 변화를 검출한 데 따른 것으로 생각된다. 실제 나노갭 전극 센서를 이용한 전기적 임피던스 거동의 세 가지 주요 인자들을 등가회로 모델을 기반으로 이론적으로 계산한 결과, DNA 증폭과 전기적 임피던스 변화 사이에 유의한 상관관계가 있음을 확인 하였다.


기대 효과

나노갭 전극으로 전극의 분극현상을 감소시켜 생물학적 시료에 존재하는 많은 이온들로 인한 전압 강하에 따른 전기적 신호손실을 효과적으로 줄일 수 있었다. 이를 바탕으로 시료 내의 다양한 병원체를 동시에 모니터링 가능한 공간 분할형 나노갭 센서칩 기반 시스템을 제작하여 적용함으로써 현장진단 (POCT)에서 보다 간편하고 신속하게 병원체를 탐지할 수 있는 새로운 기회를 제공할 것으로 기대한다. 앞으로 상용화를 위해 신호잡음을 제거하고 시료의 유전자 증폭에 따른 전기적 신호 측정 감도 향상을 위한 센서 시스템 조건의 최적화와 현장진단에 적용 가능한 소형화 검출 시스템 모듈 개발에 대한 연구를 진행할 예정이다.


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