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[사진. (왼쪽부터) 이은영 박사후연구원, 이동근 연구원, 신용 생명공학과 교수, 김성한 서울아산병원 감염내과 교수]

 

생명공학과 신용 교수 연구팀이 서울아산병원 감염내과 김성한 교수 연구팀과 공동으로 발열성 감염병의 원인 병원체를 구분하는 데 활용할 수 있는 두 가지 분자 진단 기술을 개발했다. 연구팀은 DNA 나노구조체의 형태 변화를 진단 신호로 활용해 큐열과 쯔쯔가무시증의 원인균을 동시에 구분하고, 표적 핵산 증폭 없이 중증열성혈소판감소증후군(SFTS) 바이러스 RNA를 검출하는 데 성공했다.

 

발열성 감염병은 발열과 근육통, 두통 등 초기 증상이 유사해 원인 병원체를 정확하게 구분하기 어렵다. 기존 다중 분자 진단 기술은 병원체마다 서로 다른 형광 신호를 사용하는 경우가 많아 신호가 겹치거나 장비의 검출 채널 수에 따라 검사 대상을 확대하는 데 한계가 있다. 또한 바이러스 RNA 검출에는 일반적으로 RNA를 DNA로 변환하는 역전사와 표적 핵산 증폭 과정이 필요해 검사 절차가 복잡해질 수 있다.

 

연구팀은 이러한 한계를 보완하기 위해 DNA 나노구조체 센서(DNA Nanostructure Sensor, DNA-NS)를 활용했다. 이 센서는 특정 병원체의 유전물질에 반응하면 선형에서 고리형으로 구조가 변화한다. 연구팀은 DNA의 형태에 따라 전기영동 시 이동 양상이 달라지는 원리를 이용해 구조 변화를 확인하고, 이를 통해 병원체의 종류와 바이러스 RNA의 존재 여부를 판별하는 기술을 구현했다.

[그림1. 프라이머 차단 비대칭 증폭(PBA-amp) 기술과 DNA 나노구조체 센서를 결합해 큐열과 쯔쯔가무시증 원인균을 서로 다른 크기의 고리 구조로 구분하는 다중 검출 기술 모식도]

 

첫 번째 연구에서는 큐열과 쯔쯔가무시증의 원인균을 동시에 구분하는 다중 검출 기술을 개발했다. 연구팀은 센서 작동에 필요한 단일 가닥 DNA를 효율적으로 생성하기 위해 ‘프라이머 차단 비대칭 증폭(Primer-Blocked Asymmetric Amplification, PBA-amp)’ 기술을 개발하고, 이를 DNA 나노구조체 센서와 결합했다. 두 원인균의 유전물질에 따라 센서가 서로 다른 크기의 고리 형태로 변화하도록 설계해 하나의 검사에서 두 병원체를 구분할 수 있도록 했다.

 

연구팀은 실제 혈장 유래 DNA 검체 121개를 대상으로 기술의 성능을 평가한 결과, 큐열 양성 검체 50개 중 48개, 쯔쯔가무시증 양성 검체 34개 중 33개를 검출했다. 전체 양성 일치율은 96.4%였으며, 음성 검체 37개는 모두 음성으로 판별해 100%의 음성 일치율을 확인했다. 또한 실험 조건에서 두 병원체 모두 9.76아토몰농도(aM)까지 검출할 수 있음을 확인했다.

[그림2. CRISPR-Cas13a의 RNA 인식·절단 반응을 DNA 나노구조체의 고리 형성으로 연결해 역전사와 표적 핵산 증폭 없이 SFTS 바이러스 RNA를 검출하는 기술 모식도]

 

두 번째 연구에서는 크리스퍼(CRISPR-Cas13a) 기술과 DNA 나노구조체 센서를 결합해 별도의 역전사나 표적 핵산 증폭 없이 SFTS 바이러스 RNA를 검출하는 기술을 개발했다. 바이러스 RNA를 인식해 활성화된 Cas13a가 DNA·RNA 복합 구조의 분자 스위치를 절단하면, 이에 따라 활성화된 DNA 구성 요소가 센서의 구조를 선형에서 고리형으로 변화시키는 방식이다. 이를 통해 기존의 형광 신호 대신 DNA 나노구조체의 형태 변화를 진단 신호로 활용했다.

 

연구팀은 혈장 유래 RNA 검체 87개를 평가한 결과, 기존 실시간 역전사 중합효소연쇄반응(RT-qPCR) 검사에서 양성으로 확인된 47개 중 45개를 검출하고, 건강 대조군 40개를 모두 음성으로 판별했다. 양성 일치율은 95.7%, 음성 일치율은 100%로 나타났다. 또한 바이러스 인식에 사용하는 가이드 RNA(crRNA)를 교체해 기존 DNA 나노구조체 센서를 재설계하지 않고도 한탄바이러스 RNA를 검출할 수 있음을 확인했다.

 

신용 교수는 “이번 연구는 DNA 나노구조체의 형태 변화를 진단 신호로 활용해 병원체 다중 검출과 유전자 증폭 없는 바이러스 RNA 검출을 구현했다는 데 의의가 있다”며 “향후 검출 대상을 다양한 병원체로 확대하고 반응과 판독 과정을 자동화해, 원인 감별이 어려운 감염병의 진단에 활용할 수 있도록 발전시키겠다”고 말했다.

 

이번 연구에는 우리 대학교 생명공학과 이은영 박사후연구원과 이동근 연구원, 권지수 연구원 등이 참여했으며, 서울아산병원 김성한 교수와 우리 대학교 신용 교수가 교신저자로 참여했다. 두 연구는 보건복지부 한국보건산업진흥원의 지원으로 수행됐으며, 두 번째 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단의 지원도 받았다.

 

이번 성과는 DNA와 RNA의 특성에 맞는 검출 기술을 각각 개발하면서도 DNA 나노구조체의 형태 변화를 공통된 진단 신호로 활용했다는 데 의미가 있다. 연구 결과는 바이오센서 분야 국제학술지 ‘바이오센서스 앤드 바이오일렉트로닉스(Biosensors and Bioelectronics)’에 2026년 6월과 10월 각각 게재됐다.