최근 국제적으로 큰 피해를 일으킨 고병원성 조류 인플루엔자(AI, Avian Influenza) 바이러스는 국내에서 2000년대 이후 주기적으로 반복·발생하고 있으며, 갈수록 변종되거나 그 규모가 커지고 있어 농가뿐 아니라 사회 전반적으로 큰 피해를 주고 있어 신속한 조기진단의 필요성이 증가하고 있다. 최근 국내 연구진이 바이러스를 포함하는 각종 미량의 생체 분자 물질을 정확하게 검출하는 새로운 방법을 개발하는데 성공하였다. 연구진은 광·바이오센서 기술을 이용한 분자검출 플랫폼을 개발하여 신속한 측정이 가능하며, 향후 다양한 비지표식(Label-free) 생체 분자 측정에 적용 가능한 기술을 개발했다고 밝혔다. 

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 센서시스템연구센터 서민아 박사팀은 UC 버클리대(University of California at Berkeley) 강지훈 박사, 건국대 수의과대학 송창선 교수, 고려대학교 물리학과 박규환 교수와의 공동 연구를 통해, 테라헤르츠 메타물질*을 개발하여 미량의 조류 인플루엔자 바이러스를 세부 하위유형(亞型, subtype)별로 구별하고 정량화하는 새로운 기술을 확립했다. 기존의 방법인 바이러스에 각종 지표를 사용하는 검출하는 대신, 테라헤르츠 메타물질을 이용한 분광기술을 이용하여 비지표(Label-free) 방식으로 기존 검출 기술의 한계를 극복하고, 높은 민감도와 선택성을 지닌 분자검출 플랫폼으로 신속하게 바이러스 등을 검출하는데 성공했다.  

*테라헤르츠 메타물질 : 테라헤르츠(THz) 전자기파 영역대에서 기능을 갖는 메타물질로서 특정 주파수에서 투과율이나 반사율이 증폭된다. 

지표식(Labeling)의 경우, 바이러스에 말 그대로 ‘이름표’를 붙이는 과정이 필수적인데, 이 이름표는 보통 특정 분자들을 화학적/전기적 특성으로 결합시키는 방법으로 붙게 되고, 이는 바이러스의 성질을 바꿀 가능성이 있는 단점이 있어 향후 바이러스의 양상을 관찰하기에 곤란한 상황이 될 수 있는 단점이 있었다. 하지만 연구진은 비지표식, 특히 본 연구의 방법인 바이러스 하위유형별로 가지고 있는 고유 광학적 특성을 이용한 것으로, 판별이 바이러스의 성질을 바꾸지 않는 장점을 가지고 있으며, 이 방법은 비접촉, 특히 비파괴의 특성을 두루 갖추게 된다. 

AI 바이러스의 세부 하위유형을 확진하기 위해서는 RNA 염기서열의 확인이 필수적이다. 그러나 이러한 바이러스는 감염판별에 필요한 생물시료의 개수가 방대하여 막대한 시간 및 비용이 소요되는 단점이 있어 세부 하위유형을 신속하게 검진 가능한 상시 모니터링 및 초정밀 조기 진단 시스템 개발이 시급한 상황이었다.  

연구진은 테라헤르츠(THz, 1012Hz) 대역의 특정 주파수의 투과율을 수십 배 증폭시키고 집속하는 메타물질을 제작하여 세부 하위유형이 다른 조류 바이러스 샘플을 그 위에 도포하고 테라헤르츠 분광(Spectrum)을 실시하였다. 이때, 메타물질에 의해 증폭된 투과 신호는 바이러스 등의 생체 물질에 대한 높은 민감도를 부여하며, 조류 인플루엔자 바이러스의 표면 단백질인 항원의 종류에 따라 테라헤르츠 주파수에서의 투과율이 달라진다. 연구진은 3종 이상의 바이러스 종류를 구별하여 검출하였으며, 이러한 초고감도 테라헤르츠 분자 센서를 이용해 낮은 농도에서 선별이 어렵다고 알려진 당류(혈당 등)를 수십 mg/dL 농도 이하에서 높은 선택성으로 검출하고, 미량의 잔류 농약을 ppm 이하의 농도로 검출하는데 성공했다.  

KIST 서민아 박사는 “본 연구로 개발된 분자 감지 기술은 극미량의 분자를 선택적으로 검출하는데 이용할 수 있다. 현재 미량의 특정 DNA 및 스테로이드 등에 대한 검출 유효성도 확보하였다.”라고 말하면서 “향후 다양한 질병 특이 생체 저분자 물질을 신속하게 판별하는 진단 연구 등에 적용되길 기대한다.”고 밝혔다.

본 연구는 KIST 개방형 연구사업(ORP), 과학기술정보통신부(장관 유영민)의 중견연구자지원사업(과제책임자, KIST 서민아)과 글로벌프런티어 사업(파동에너지극한제어연구단) 과제로 수행되었으며, 연구내용은 최근 미국 특허 등록(2017년 5월 15일) 및 국제학술지‘Scientific Reports’ 최신호 (7호, 8146, 2017년 8월 15일)에 게재되었다.