[지금은 과학] 종이 센서로 6개 질병 한꺼번에 검출

[아이뉴스24 정종오 기자] 종이 센서로 6개의 질병 물질을 검출할 수 있는 기술이 나왔다. 종이센서에 나노자임을 적용해 질병 진단물질인 글루코오스, 아세틸콜린, 콜레스테롤 등 6개 물질 동시 검출이 가능하다. 60도 고온이나 60일이 넘는 기간에도 안정적이고 생산성, 가격적 측면에서 장점이 많다. 앞으로 여러 질병 진단, 암 치료 등에 응용할 수 있다.

카이스트(KAIST, 총장 이광형)는 생명화학공학과 이진우 교수 연구팀이 가천대 바이오나노학과 김문일 교수팀, 포스텍(POSTECH) 화학공학과 한정우 교수팀과 함께 새로운 무기 소재(나노자임, Nanozyme)를 합성하는 데 성공했다고 7일 발표했다.

이를 이용해 종이 기반 질병 물질 검출 센서에 도입해 6개의 표적 물질을 동시에, 민감하게 검출 가능한 시스템을 내놓았다.

나노자임(Nanozyme)은 단백질로 이뤄진 효소와 달리 무기물질로 합성된 효소 모방 물질을 말한다. 기존 효소의 단점으로 꼽히는 안정성, 생산성, 가격적 측면에서 매우 뛰어나다. 기존의 효소가 사용되던 질병 진단 시스템에 그대로 활용될 수 있다.

공동연구팀은 기존의 과산화효소 모방 나노자임과 달리 중성에서 활성을 지니며 큰 기공(구멍)을 가져 산화효소를 적재할 수 있는 코발트가 도핑된 메조 다공성 구조의 산화 세륨을 개발했다. 이를 이용해 질병 진단물질인 글루코오스, 아세틸콜린, 콜레스테롤을 비롯한 6개의 물질을 동시에 검출 가능한 종이 센서를 선보였다.

나노자임은 기존의 효소가 사용되던 다양한 질병의 검출에 사용될 수 있을 뿐만 아니라 효소가 사용되기 어려웠던 극한 환경 혹은 다양한 미세환경이 존재하는 체내에서도 그 역할을 수행할 수 있다.

효소는 우리 몸속의 다양한 화학 반응에 촉매로서 작용을 하고 있다. 최근 이러한 효소들을 정제해서 다양한 물질들을 검출, 치료하는 등 다방면에서의 활용이 가능하다는 것이 보고돼왔다.

과산화효소의 경우 과산화수소의 존재 아래에서 투명한 발색 기질을 산화시켜 푸른색을 띠기 때문에 과산화수소를 시각적으로 검출할 수 있다. 이를 이용해 산화 과정에서 과산화수소를 배출하는 아세틸콜린, 글루코오스를 포함한 다양한 물질들의 산화효소와 함께 사용되면 표적 물질을 시각적으로 검출할 수 있다.

아세틸콜린, 글루코오스 등을 산화시키는 대부분의 산화 효소는 중성에서 최적 활성을 가지는 것과 달리 과산화효소 모방 나노자임은 산성에서만 활성을 지니기 때문에 중간에 수소 이온 농도 지수(pH)를 조절하는 버퍼 용액을 변경해야 한다. 최적 활성이 아닌 지점에서 반응이 일어나 표적 물질의 미세한 검출을 하기 어렵고, 바이오 센서로서의 적용도 어렵다.

이 때문에 중성 상태에서도 과산화효소 활성을 모방하면서 표적 물질의 산화효소를 담을 수 있는 나노자임의 개발이 필수적이다.

공동연구팀은 문제 해결을 위해 밀도범함수이론(Density Functional Theory, DFT)을 도입해 기존에 과산화효소 활성이 있던 산화 세륨 위에 어떠한 원소를 도핑할 경우 중성에도 과산화효소 활성이 유지될지 스크리닝을 진행했다. 코발트 원소가 최적 물질임을 계산을 통해 예측했다.

연구팀은 중성에서의 활성을 유도할 코발트 원소를 도핑하면서 산화효소를 적재할 수 있게 17 나노미터(nm)의 큰 기공을 지니는 메조 다공성 구조의 산화세륨 합성에 성공했다. 메조 다공성 나노물질들이 2~3 나노미터(nm) 기공을 지니는 것과 달리 연구팀은 열처리 과정에서의 변화를 통해 큰 기공을 지니도록 합성할 수 있었다.

이 기공에 산화효소들을 적재할 수 있다는 것을 확인했다. 합성된 나노자임은 중성(pH 6)에서 최적 활성을 지녀 pH의 변경 없이 산화효소와 연쇄 반응을 일으킬 수 있었다.

연구팀은 개발한 나노자임에 중요한 질병 진단물질인 글루코오스, 아세틸콜린, 콜린, 갈락토오스, 콜레스테롤의 산화효소를 담아 과산화수소를 포함한 6개 물질을 동시에 검출이 가능한 종이 센서를 개발했다.

이 종이 센서는 20분 만에 6개 물질을 빠르게 검출할 수 있었다. 기존 하나씩만을 검출할 수 있는 센서들의 검출한계보다 더 좋은 성능을 보였다. 또한 연구팀은 산화효소를 메조 다공성 산화세륨에 적재해 영상 60도 고온에서도 안정적이고 60일이 넘는 시간 동안 안정적으로 작동함을 확인했다.

카이스트 생명화학공학과 이준상 박사과정생, 가천대 바이오나노학과 푸엉 타이 응우옌(Phuong Thy Nguyen) 박사과정생, 포스텍 화학공학과 조아라 박사과정생과 공동 제1 저자로 참여했다.

연구성과(논문명 : Rational Development of Co-Doped Mesoporous Ceria with High Peroxidase-Mimicking Activity at Neutral pH for Paper-Based Colorimetric Detection of Multiple Biomarkers)는 국제 학술지 `어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)' 2월 19권 2호에 실렸다.

이진우 교수는 "나노자임은 분야 자체가 시작된 지 오래되지 않았는데 기존 효소를 대체해 쓰일 수 있다는 잠재성 때문에 폭발적으로 관심이 증가하고 있다ˮ라며 "앞으로 종이 센서뿐 아니라 각종 진단과 암 치료에 나노자임을 도입해 진단, 치료 분야에 큰 도약을 이뤄낼 가능성이 있다ˮ 고 설명했다.