[붙임] 연구결과 개요

1.연구배경

우리 몸속을 순환하는 ‘순환 무세포 DNA(cfDNA)’는 암 진단의 핵심 바이오마커다. 특히 짧은 길이의 ‘단일 가닥 DNA(ss-cfDNA)’는 말기 암이나 전이가 진행된 환자에게서 높게 나타나는 경향이 있다. 하지만 현재 병원에서 주로 쓰이는 PCR이나 차세대 염기서열 분석(NGS)은 비용이 비싸고 전처리 과정이 복잡하다. 또한, 기존의 센서 기술들은 제작 공정이 까다롭고 일회용이라 비용 부담이 컸다. 이에 연구팀은 저렴하면서도 단일 가닥 DNA만 정밀하게 검출하고, 여러 번 재사용할 수 있는 새로운 센서 플랫폼 개발에 착수했다.

2.연구내용

연구팀은 차세대 반도체 소재인 ‘이황화몰리브덴(MoS2)’을 용액 형태로 만들어 기판 위에 균일하게 코팅하는 방식을 고안했다. 이 방식은 반도체 증착 장비(CVD)를 사용하는 기존 방식보다 훨씬 경제적이며 대면적 제작이 용이하다. 제작된 센서는 MoS2 표면에 단일 가닥 DNA가 흡착될 때 발생하는 전기적 변화를 고주파(RF) 신호의 이동으로 감지한다. 연구팀은 DNA가 흡착되면 MoS2 표면에 전자가 풍부해지는 ‘n형 도핑’ 효과가 발생해 신호(공진 주파수 및 반사 계수)가 바뀐다는 메커니즘을 규명했다. 나아가 연구팀은 ‘DNA 혼성 결합(Hybridization)’ 원리를 이용해 센서 재생 기술을 구현했다. 센서에 붙어 있는 DNA와 짝이 맞는 ‘상보적 DNA(cDNA)’를 흘려주면, 두 DNA가 결합하여 이중 나선 구조를 만들고 표면에서 떨어져 나간다. 이를 통해 센서는 다시 깨끗한 초기 상태로 돌아가 재사용이 가능해진다.

3.기대효과

이번 연구는 고가의 장비 없이도 고성능 바이오센서를 대량 생산할 수 있는 가능성을 제시했다. 특히 재사용이 가능한 특성은 검사 비용을 획기적으로 낮춰, 주기적인 검사가 필요한 암 환자의 예후 관리에 큰 도움이 될 것이다. 또한, 이 센서는 별도의 형광 표지 없이 DNA를 검출하는 ‘라벨 프리(Label-free)’ 방식이므로, 향후 소형화된 현장 진단 기기(POCT)나 웨어러블 헬스케어 기기에 접목되어 개인 맞춤형 정밀 의료 실현을 앞당길 것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명

1.액체 생검 (Liquid Biopsy)

수술이나 바늘을 이용해 조직을 떼어내는 기존 조직검사와 달리, 혈액, 소변 등 체액 속에 존재하는 암세포 유래 물질(DNA, 단백질 등)을 분석하여 암을 진단하는 기술. 환자의 고통이 적고 반복 검사가 용이하다.

2.순환 무세포 DNA (cfDNA, circulating cell-free DNA)

세포가 사멸하거나 깨지면서 체액 속으로 흘러나온 DNA 조각들. 암환자의 경우 암세포에서 유래한 유전자 변이가 포함된 cfDNA가 존재할 수 있다.

3.ss-cfDNA (Single-stranded cfDNA)

두 가닥이 꼬여 있는 일반적인 DNA와 달리 한 가닥으로 떨어진 DNA 조각. 암 진행 단계나 전이 과정에서 특이적으로 비율이 증가하는 것으로 알려져 있다.

4.이황화몰리브덴 (MoS2, Molybdenum Disulfide)

차세대 2차원 반도체 물질. 그래핀처럼 얇고 투명하면서도, 전기적 특성이 우수하여 반도체로 활용 가능한 성질을 가진다. 표면적이 넓어 바이오 물질이 잘 달라붙고, 이에 따른 전기적 반응이 민감하여 고감도 센서 소재로 각광받고 있다.

5.RF 바이오센서 (Radio-Frequency Biosensor)

마이크로파 대역의 무선 주파수 신호를 이용해 생체 물질을 검출하는 센서. 물질이 센서에 닿았을 때 변하는 주파수나 신호의 크기(임피던스 변화)를 분석한다. 반응 속도가 빠르고 실시간 감지가 가능하다.

6.상보적 DNA (cDNA, Complementary DNA)

특정 DNA 서열과 마치 열쇠와 자물쇠처럼 정확하게 결합하여 짝을 이루는 반대편 DNA 가닥. 연구팀은 이 강력한 결합력을 이용해 센서에 붙은 타겟 DNA를 떼어내는 ‘세정제’ 역할로 활용했다.

[붙임] 그림설명

그림설명. 재사용 할 수 있는 액체 생검 센서의 구조와 작동 및 재생 과정.

(좌측) 단일 가닥 DNA가 이황화몰리브덴 표면에 붙으면 유전율과 저항이 변하고, 이 변화가 고주파(RF) 신호의 공진 주파수 이동으로 나타난다. 이를 읽어내 특정 DNA 조각을 검출할 수 있다. (우측 상단) 고주파 신호 분석 결과. 단일 가닥 DNA가 흡착되면 공진 주파수가 이동하고, 이후 상보적 DNA 용액으로 세척해 재생 과정을 거치면 신호가 다시 초기 상태로 돌아온다. 이를 통해 센서를 여러 번 반복 사용할 수 있음을 확인했다. (우측 하단) 세척액 속의 상보적 DNA와 결합해 이중 가닥 DNA가 완성되면 이황화몰리브덴 표면과의 결합력이 약해져 DNA가 센서에서 자연스럽게 떨어져 나가고, 센서가 재생된다.