[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경 

공기 중 바이러스(신종인플루엔자/H1N1, 조류 인플루엔자/H5N1, 코로나바이러스)와 세균(결핵균)-바이오에어로졸1)-등은 그 특성상 빠른 속도로 전염된다. 지금의 코로나 대유행 사태에서 보듯이, 바이러스는 인간과 동물 모두에게 큰 미치는 영향을 미친다. 이에 대한 감시를 위해서 일반적으로 공기 속 바이러스 혹은 박테리아(세균)를 채집 (air sampling)해 이에 대한 검사를 진행한다. 공기로부터 채집한 바이러스의 검출·정량화 방법으로는 주로 중합효소연쇄반응(PCR;polymerase chain reaction)2)을 이용한 핵산(RNA, DNA)3) 기반 검사를 사용하고 있다. 신속하고 정확한 진단을 위해서는 바이러스를 포집해 농축하는 기술과, 포집된 샘플을 정확하고 빠르게 검사할 수 있는 진단장치가 필요하다.

먼저 공기 채집(Air sampling) 은 공기 속 바이러스를 탐지 (detection) 또는 정량화 (quantification)하기 위한 첫 번째 단계다. 수집된 바이러스의 물리적·생물학적 온전성에 영향을 미치는 중요한 단계이다. 일반적으로는, 관성충돌 채집 방식을 이용한다. 강한 압력 차로 공기를 빨아들일 때 큰 운동량을 얻게 된 입자들을 고체나 액체 표면에 충돌시켜 채집하는 원리다. 그런데 이 방식은 지름 1㎛(미크론, 100만분의 1미터) 미만의 입자부터 채집효율이 떨어지고, 0.03~0.1㎛의 미세한 입자는 10%도 잡지 못한다. 또 이 들 입자가 충돌할 때 손상될 위험도 있어 후속 측정에 제약이 따른다.

또 측정에 많이 쓰이는 유전자증폭 방식(중합효쇄연쇄반응)은 진단 정확도는 높지만 시간이 오래 걸린다. 가격도 비싸고 증폭검사를 위한 검사기기도 필요하다.

2. 연구내용  

본 연구팀은 전기식 바이러스 농축기 (EPC; electrostatic particle concentrator)와 종이 기반 전기화학 면역센서 (immunosensor)4)를 이용해 공기 속 인플루엔자 A H1N1 바이러스를 측정하는 기술을 개발했다. 전기식 바이러스 농축기는 정전기력을 이용해 손상 없이 높은 효율로 바이러스 포집이 가능하다. 종이 기반 센서는 경량·휴대용·저가이며 적은 양의 샘플로도 채집된 샘플을 신속히 측정할 수 있다.

이번 실험에서 바이러스를 포집할 때 전기장이 바이러스에 미치는 직·간접적 영향과 센서의 정확도 등을 검증했다. 전기장은 직접적으로 바이러스를 구성하는 단백질을 변성시키거나, 활성산소5)(ROS, reactive oxygen species) 로 인해 바이러스에 영향을 미칠 수 있다. 실험결과 전기장이 표면 단백질(HA)6) 일부에 변성을 일으켰지만, 바이러스 속 핵단백질7)은 훼손하지 않는 것으로 나타났다. 때문에 핵단백질의 항원-항체 반응을 이용하는 종이 면역 센서는 외부 전기장의 영향 없이 인플루엔자 바이러스의 양을 안정적으로 측정할 수 있었다.

바이러스에 손상을 줄 수 있는 활성산소 중 과산화수소(H2O2)와 일중항산소(1O2)의 양을 측정하고 바이러스에 미치는 영향을 분석했다. 표면 단백질(HA)은 1O2 및 H2O2에 의해 손상이 일어나서 면역 센서의 측정에 사용하기 쉽지 않으나 핵단백질은 이와 같은 손상을 입지 않았다.

채집된 바이러스를 종이 면역 센서를 이용해 검출한 결과를 qPCR과 ELISA8) 테스트 결과와 비교했다. 60분 동안 수집된 바이러스의 농도를 여러 항체(표면단백질, 핵단백질에 대응하는 항체)로 기능화된 종이 면역센서를 사용해 측정하는 실험도 진행했다. 실험결과 본 연구에서 제시하는 ‘NP-Ab’(항체)로 기능화된 종이 면역 센서를 이용한 경우 바이러스의 상대농도는 80.7%였으며, 이는 qPCR(76.8%) ELISA(84.7%)과 비슷한 정도이다. qPCR 결과는 NP-Ab 기능화된 종이 센서의 결과와 크게 다르지(p = 0.28) 않았다. 핵단백질이 아닌 표면단백질 항체로 기능화된 센서의 경우 정확도가 낮았다. 

또한, 공기 중 바이러스의 채집 중에 같이 유입되는 미세먼지나 미생물이 측정 정확도에 미치는 영향도 분석했다. 측정 결과 본 센서 시스템은 인플루엔자 바이러스만 선택적으로 잘 측정해낼 수 있음을 확인했다.

3. 기대효과  

EPC와 NP-Ab 기반 종이 면역 센서를 이용한 바이러스 검출 시스템은 PCR & ELISA 검사 결과와 견줄 수 있을 정도로 바이러스양을 안정적이고 정확하게 측정할 수 있다. 동시에 신속한 측정이 가능하다. 이 측정방법은 코로나바이러스 등 인플루엔자 바이러스의 구조가 비슷한 다른 호흡기 바이러스에도 성공적으로 적용될 수 있을 것이다.

[붙임] 용어설명

1. 바이오에어로졸(Bioaerosols)

에어로졸은 고체나 액체 입자들의 기체상 부유물로 정의된다. 바이오에어로졸 입자들은 꽃가루, 곰팡이, 미생물, 바이러스 등과 같은 입자나 생물로부터 발생한 입자들을 모두 포함하고 0.01~100㎛의 크기 범위를 가진다. 바이오에어로졸은 알레르기, 급성 독성 효과, 천식, 전염병 등을 통해 건강에 악영향을 줄 수 있다.

2. 중합효소 연쇄반응 증폭법(PCR; polymerase chain reaction)

PCR은 미량의 DNA를 증폭시키는 기술로 분자생물학, 병의 진단, 신원확인 등에 널리 사용된다. DNA의 추출과 정제, 증폭을 위한 프라이머(primer)가 있어야 한다. qPCR은 PCR의 한 종류로 세균이나 바이러스의 DNA의 양을 알 수 있다. 참고로 DNA가 아닌 RNA에 유전정보를 저장하는 ‘RNA 바이러스’(ex: 코로나 바이러스)는 RNA 정보를 바탕으로, 거꾸로 DNA 정보를 만들어내는 역전사 중합효소연쇄반응 증폭법을 이용한다.

3. 핵산(Nucleic acids)

핵산(Nucleic acids)은 뉴클레오티드(nucleotides)라는 단위체가 여러 개 연결된 중합체이다. 핵산에는 DNA와 RNA라는 두 가지 유형이 있으며, 유전정보의 저장과 전달, 그리고 발현을 돕는 기능을 담당한다.

4. 면역 센서(Immunosensor)

항원-항체 반응을 이용한 센서. 면역 센서의 구조는 특정 바이러스나 박테리아, 혹은 특정 단백질 (항원)에 반응하는 항체가 도포된 부분과 항원-항체 반응 시 나오는 신호를 검출하는 부분으로 나뉜다. 항원의 양에 따라 신호가 변하는 성질을 이용하여 항원의 양을 측정하는 장치이다.

5. 활성산소 (ROS; reactive oxygen species)

화학적으로 반응성이 뛰어난 산소 원자를 포함하는 분자. 슈퍼옥사드(O2−), 과산화수소(H2O2), 일중항산소(singlet oxygen, 1O2)등이 대표적이다. 노화나 암의 주요 원인으로 알려져 있다. 활성산소 분자들은 대부분 짝짓지 않은 전자(라디칼)가 있는데 이들 전자는 다른 물질과 결합해 전자쌍을 이루려고 하는 성질이 강해 반응성이 매우 좋다.

6. 표면 단백질 (HA; Hemagglutinin)

인플루엔자바이러스의 외각 표면에 존재하는 2종의 당단백질의 일종.  

7. 핵단백질 (NP; nucleoproteins)

세포 속에 있는 핵산과 단백질의 결합물. 핵산의 종류에 따라 DNA 핵 단백질과, RNA 핵 단백질로 구분된다.

8. ELISA (Enzyme-linked immunosorbent assay)

항원-항체 반응을 이용하여 단백질의 발현양을 측정하는 방법. 이 때 효소는 항원-항체 반응을 확인 할 수 있게 돕는 표지자 역할을 한다. 일반적으로 시료의 항원을 마이크로플레이트(microplate) 표면에 부착시킨 후, 항원에 결합할 수 있는 항체를 결합시키게 되는데, 이때 항체에 특정 효소를 결합시켜 기질-효소 반응에 의한 색깔 변화가 나타내게 되어 이를 마이크로플레이트 분광광도계를 통해 정량적으로 계산할 수 있다.

[붙임] 그림설명

그림1. 개발된 바이러스 감지 시스템의 구조와 실험 모식도: 전체 실험 장치는 바이러스 에어로졸 발생 장치, 전기식 바이러스 농축기(EPC)와 항체가 도포된 종이 면역 센서 (VFA sensor)로 구성되어 있음. 종이 면역 센서의 검출한계는 2.13 PFU(plaque forming unit)/mL임.

그림2. 바이러스 채집 방법별 바이러스 농도 (a) 발생된 에어로졸을 전기장으로 채집한 경우 (b) 발생된 에어로졸을 기존에 많이 사용되는 채집 장치인 BioSampler로 채집한 경우. 전기장을 이용해 채집할 경우 더 농도가 높다. 이는 BioSampler 보다 채집 성능이 더 좋음을 의미한다.

그림3. 바이러스 검출 방법별 성능 비교. (A) 서로 다른 시간 (5분~60분) 동안 수집된 바이러스 샘플을 qPCR 및 면역 (NP-Ab) 센서를 이용해 분석함. 바이러스를 짧은 시간동안 수집했을 경우 면역 센서의 정확도가 더 우수하다. (B) 종이 센서를 이용한 바이러스의 검출 효율 비교. HA 항체를 이용한 면역 센서와 NP 항체를 이용한 면역 센서 (제안방법), qPCR, ELISA 결과를 비교함. –5 kV의 인가전압과 1.2 L/min의 유량으로 60분간 EPC를 사용해 농축된 바이러스를 대상으로 진행 했다. 바이러스 상대 농도 값을 비교했을 때 qPCR이나 상대농도(%) = (EPC에서 측정된 바이러스 농도/발생 장치에서 측정한 바이러스 농도) × 100.