생명연 "나노바디 기반 '초정밀 바이오센서'로 암 조기진단"

조기에 암을 진단할 수 있는 나노바디 기반의 '초정밀 바이오센서'가 개발됐다.

한국생명공학연구원(생명연)은 바이오디자인교정연구센터 우의전 박사 연구팀이 암과 염증 반응의 주요 진단 지표 중 하나인 '인터루킨-6(Interneukin-6·IL-6)' 단백질을 정밀 감지할 수 있는 나노바디 기반의 바이오센서를 개발했다고 12일 밝혔다.

우의전 박사(오른쪽 첫 번째)와 우 박사 연구팀 구성원. 한국생명공학연구원 제공

IL-6는 면역반응을 조절하는 단백질로 몸속 염증 또는 암세포와 반응할 때 수치가 급격히 높아지는 특징을 가져 췌장암, 신장암, 자가면역질환, 패혈증 등 질환의 조기진단과 예후 모니터링에 핵심 지표로 활용된다.

하지만 ELISA, PCR 등 기존 진단기술은 분석하는 데 많은 시간이 소요되고 숙련된 인력이 요구되는 데다 극미량의 단백질을 탐지하는 데 한계를 보였다.

이에 연구팀은 기존 항체보다 1/10 크기인 나노바디에 주목했다. 나노바디는 낙타과 동물의 항체에서 유래한 초소형 단백질로 일반 항체보다 작고 구조적으로 단단하며 세균에서도 쉽게 생산할 수 있어 진단기기를 개발하는 데 유리하다.

특히 크기가 작은 덕분에 센서 표면에 촘촘하게 부착할 수 있고 온도와 환경변화에도 안정적이라는 점에서 현장 진단(POCT) 기기로 발전시킬 가능성이 크다.

연구팀은 나노바디의 이러한 장점을 활용하기 위해 기존 항체의 '핵심 부분(인식 부위)'만을 정밀하게 복제해 나노바디로 직접 바꿀 수 있는 'CDR 그래프팅(CDR grafting)' 기술을 고안, 면역 동물실험 없이 고정밀 나노바디를 신속하게 제작할 수 있게 됐다.

특히 이 같은 방식으로 설계된 나노바디를 한국표준과학연구원(표준연)이 보유한 액체 속 반응을 직접 감지할 수 있는 실리콘 센서(Solution-Immersed Silicon·SIS) 기술과 결합해 세계 최고 수준의 민감도를 갖춘 바이오센서를 구현했다.

SIS 센서는 액체 환경에서 실리콘 표면의 빛 반사 변화를 정밀하게 측정해 단백질 결합을 실시간으로 감지하는 첨단 광학 기술로 금속막이 필요하지 않아 신호 간섭이 적고 안정성이 높다.

연구팀이 개발된 센서는 극미량의 단백질도 탐지할 만큼 매우 민감하다. IL-6 단백질이 1g/1조(4.5 fg/mL) 수준으로 극미량이어도 감지할 수 있을 만큼 정밀해 감도가 현재 사용되는 ELISA 진단키트보다 1000배가량 높다는 게 연구팀의 설명이다.

무엇보다 췌장암과 신장암 환자의 혈청을 분석했을 때 건강한 사람과 환자를 명확히 구분할 수 있어 임상 진단에 직접 활용할 수 있는 가능성이 확인됐다.

이번 연구의 가장 큰 성과는 단순히 새로운 센서를 만든데 그치지 않고, 항체를 나노바디로 직접 바꿀 수 있는 설계 플랫폼을 제시했다는 점이다. 이 플랫폼을 활용하면 특정 질병 단백질을 인식하는 항체가 이미 확보돼 있을 때 해당 항체를 단기간에 나노바디로 바꿔 다양한 센서나 진단기기에 적용할 수 있다.

우 박사는 "이번 연구는 항체공학과 정밀계측기술을 결합해 생체신호를 극미량에서도 감지할 수 있는 새로운 패러다임을 제시했다는 점에서 의미를 갖는다"며 "연구팀이 개발한 기술은 향후 암이나 염증성 질환 등 질병의 초기 단계에서 발생하는 미세한 생체변화를 빠르고 정확하게 진단하는 데 기여할 것"이라고 말했다.

한편 이번 연구 성과는 국제 과학 저널 'Chemical Engineering Journal'에 지난달 23일 온라인으로 게재됐다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr