[붙임] 연구결과 개요

1.연구배경

세균 감염의 신속하고 정확한 진단은 감염성 질환 치료의 핵심이지만, 현재 사용되는 진단 기술들은 여러 한계를 가지고 있다. PCR 기반 진단법은 높은 정확도를 제공하지만, 감염균의 농도가 낮을 경우 검출이 어렵고, 보통 1~10 CFU/mL 수준의 세균 농도를 가진 혈류 감염에서는 추가적인 배양 과정이 필요해 시간이 오래 걸린다. MALDI-TOF 질량분석법은 배양된 단일 균주를 분석하는 데 효과적이지만, 혼합된 균주를 판별하는 능력이 떨어지고, 여전히 샘플 배양이 필수적이다.

형광 현장 혼성화(Fluorescence In Situ Hybridization; FISH)1) 기술은 특정 RNA 서열을 표적으로 삼아 빠르게 세균을 탐지하는 방법이다. 하지만 기존의 DNA 기반 FISH 프로브는 세균 세포벽을 효과적으로 통과하지 못하고, 비특이적 결합 및 낮은 신호 대 잡음비 문제로 인해 다중 세균을 정확하게 판별하는 데 어려움이 있다. 또한, 최근 미생물 유전체 데이터의 폭발적인 증가로 인해, 다양한 세균 종을 동시에 식별할 수 있는 최적의 프로브 설계가 점점 더 어려워지고 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해, 연구진은 펩타이드 핵산(Peptide Nucleic Acid;PNA)2) 기반의 새로운 FISH 프로브를 설계하고, 포스터 공명 에너지 전달(Förster Resonance Energy Transfer; FRET)3) 기법과 화학적 절단이 가능한 형광 프로브를 통해 다중 세균을 신속하고 정확하게 탐지할 수 있는 획기적인 진단 기술을 개발했다.

2.연구내용

연구팀은 펩타이드 핵산(PNA) 기반의 새로운 형광 현장 혼성화(FISH) 기법을 개발하여 여러 세균을 빠르고 정확하게 식별하는 방법을 제시했다.

기존의 DNA 기반 FISH 기법의 한계를 극복하기 위해, 세균 세포벽을 효과적으로 투과할 수 있고 비특이적 결합을 최소화하는 PNA 프로브를 설계했다. 16S rRNA4) 서열 분석을 기반으로 7가지 병원성 세균(대장균, 황색포도상구균, 폐렴간균 등)을 식별할 수 있는 PNA 프로브를 설계했다. 기존의 DNA 프로브보다 세균 세포 침투율이 높고, 서열 불일치에 대한 민감도가 우수하여 특정 균주만을 정확하게 검출할 수 있도록 했다. 실험 결과, PNA 프로브를 적용한 FISH 기법은 96~99.9%의 높은 정확도를 보였으며, 비특이적 결합(오탐지) 문제를 크게 줄였다.

포스터 공명 에너지 전달(FRET) 원리로 두 개의 탐침을 사용했을 때는 정확도가 더 높아졌다. 두 개의 PNA 프로브가 특정 rRNA 부위에 동시에 결합할 경우에만 형광 신호가 발생하도록 설계하여, 비특이적 결합으로 인한 오류를 최소화하고 식별 정확도를 더욱 높였다. 이를 통해 다양한 세균이 혼합된 샘플에서도 개별 균주를 명확히 구별하는 것이 가능하다.

또 이 PNA 탐침은 화학적으로 절단할 수 있게 설계돼, 특정 화합물을 처리하면 신속히 제거된다. 이 덕분에 같은 샘플에서 여러 균주를 연속적으로 탐지할 수 있다. 기존 FISH 기법에서는 형광 표지를 제거하는 데 긴 시간이 필요했지만, 이번 연구에서는 이를 몇 분 안에 수행할 수 있도록 최적화했다.

3.기대효과

이 연구의 결과는 가격이 비싼 PCR 검사나 세균 배양에 최소 12시간이 필요한 세균 배양 검사와 같은 기존 감염병 진단 방식의 한계를 극복하고, 임상 및 의료 현장에서 더 빠르고 정확한 세균 감염 진단을 가능하게 한다는 점에서 큰 기대 효과를 가진다.

먼저 감염병 조기 진단으로 환자 생존율 향상을 기대할 수 있다. 패혈증과 같은 급성 감염병은 조기 진단이 생존율을 결정짓는 핵심 요소이다. 기존의 세균 배양 방식은 수일이 소요되지만, PNA 기반 FISH 기술을 활용하면 몇 시간 내에 감염균을 판별할 수 있어 조기 치료가 가능하며, 면역저하 환자나 중환자실에서 발생하는 다중 감염도 효과적으로 진단 할 수 있다.

또 불필요한 항생제 처방을 줄이고, 장기적으로 항생제 내성을 예방할 수 있다. 현재 감염병 치료에서는 원인균을 정확히 알지 못한 상태에서 광범위 항생제가 남용되는 경우가 많다. 하지만 이 기술을 활용하면 감염 원인균을 빠르게 식별할 수 있어, 환자 맞춤형 항생제 처방이 가능해진다. 이는 항생제 오남용을 줄이고, 항생제 내성균 확산을 억제하는 데 기여할 수 있다.

이번 연구에서 개발된 기술은 실험실 수준에서 검증된 것이지만, 향후 의료기관 및 진단센터에서 활용될 경우, 임상 진단의 큰 변화를 가져올 가능성이 크다. 추가 연구를 통해 FDA 승인 및 상용화가 이루어진다면, 차세대 감염병 진단 기술로 자리 잡을 것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명

1.형광 현장 혼성화 (FISH, Fluorescence In Situ Hybridization)

FISH는 특정 유전자 서열과 결합하는 형광 탐침(프로브)을 이용해, 표적 DNA 또는 RNA의 존재 여부를 시각적으로 확인하는 분자 진단 기술이다. 암의 특정 유전자 돌연변이 유무 판별, 태아 염색체 이상 진단 등 임상에서 널리 쓰인다.

FISH를 이용한 세균 감염 감별은 기존 PCR 방식보다 싸고 빠르게 세균을 확인할 수 있으며, 배양 없이도 감염균을 직접 탐지할 수 있다. 탐침이 세균의 특정 유전자 서열과 만나면 형광 신호를 낸다. 이번 연구에서는 DNA 탐침 대신 PNA 탐침을 사용하여 감도와 정확도를 크게 향상시켰다.

2.펩타이드 핵산 (PNA, Peptide Nucleic Acid)

DNA와 유사한 구조를 가지지만, 당-인산 골격 대신 중성의 펩타이드 골격을 갖는 합성 유전자 서열이다.기존 DNA 프로브보다 세균 세포벽 투과성이 뛰어나고, 비특이적 결합을 최소화할 수 있으며 RNA 및 DNA와 강하게 결합해, 더 높은 정확도로 세균의 유전자 서열을 탐지할 수 있다.

3.포스터 공명 에너지 전달 (FRET, Förster Resonance Energy Transfer)

두 개의 형광 분자(발광체-수용체)가 가까이 있을 때 에너지가 전달되어 특정 파장의 빛이 방출되는 현상이다. 이번 연구에서는 두 개의 형광 PNA 프로브가 표적 RNA의 인접 부위에 동시에 결합해야 형광 신호가 발생하도록 설계하여, 비특이적 신호를 최소화했다. 이를 통해 여러 세균이 혼합된 샘플에서도 특정 균주를 정확하게 식별 가능하다.

4.16S 리보솜 RNA (16S rRNA, 16S Ribosomal RNA)

세균과 고세균(Archaea)의 리보솜에 존재하는, 유전적 식별자로 사용되는 RNA이다. 세균의 종류별로 고유한 서열을 가지므로, 특정 세균을 판별하는 데 사용된다.

[붙임] 그림설명

그림1. 개발된 기술의 원리와 검출 정확도. 세균 검출 프로브인 PNA분자의 디자인 원리 (상), 형광 프로브를 이용한 검출 방식과 이를 이용한 세균 이미지 (좌하), 7종의 PNA 분자를 이용해 각 세균을 검출한 결과 (우하).