국내 연구팀, 3분 만에 질병 현장진단 가능한 센서 플랫폼 개발

(대전=뉴스1) 김종서 기자 = 한국과학기술원(KAIST)은 생명화학공학과 이진우 교수 연구팀이 서울대학교 한정우 교수, 가천대학교 김문일 교수 연구팀과 함께 현장진단 효율을 38배 높이면서 3분 만에 육안으로 확인 가능한 고감도 센서 플랫폼을 개발했다고 29일 밝혔다.

병원 밖에서 이뤄지는 현장진단 기술의 핵심은 효소를 이용해 질병 진단 물질인 바이오마커를 색 변화를 통해 시각적으로 알아낼수 있다는 점이다. 그러나 자연 효소를 이용할 경우 가격이 높고 진단 환경에서 쉽게 불안정해져 보관 및 유통의 한계가 있다.

이 문제를 해결하기 위해 새로운 무기 소재 '효소 모방 촉매(nanozyme)'가 개발돼 왔으나 반응의 선택도가 낮고 과산화수소를 기질로 활용할 경우 정확도가 떨어지는 문제가 있다.

연구팀은 촉매의 반응 선택성을 원자 수준에서 제어하기 위해 촉매 중심 금속인 '루테늄(Ru)'에 금속과 결합해 화학적 성질을 조절하는 '염소(Cl) 리간드'를 3차원 방향으로 결합하는 '독창적 구조 설계 전략'을 활용해 정확한 진단 신호만 검출하는데 성공했다.

실험 결과 개발한 촉매는 기존 효소 모방 촉매 대비 38배 이상 향상된 효율을 보였다. 과산화수소 농도에 따른 반응 민감도와 속도 또한 눈에 띄게 증가했다.

특히 생체 체액의 조건에 가까운 수소이온농도(pH) 6.0에서도 반응 선택성과 활성을 안정적으로 유지해 실제 진단 환경에서의 적용 가능성도 입증했다.

연구팀은 개발한 촉매에 산화효소를 담아 종이센서에 적용해 포도당, 젖산, 콜레스테롤, 콜린 등 4종의 바이오마커를 동시에 검출할 수 있는 진단 시스템을 구현했다.

다양한 질병 진단에 범용 적용이 가능한 이 플랫폼은 별도의 pH 조절이나 복잡한 장비 없이도 3분 이내에 색 변화를 통해 육안으로 결과를 판별할 수 있다.

이 교수는 "이번 연구는 단일원자 촉매의 반응 선택성을 원자 구조 설계를 통해 제어함으로써 효소 수준의 선택성과 반응성을 동시에 구현한 사례로 의의가 있다"며 "이러한 구조–기능 관계 기반의 촉매 설계 전략은 향후 다양한 금속 기반 촉매 개발에도 적용할 수 있으며 선택성 제어가 중요한 다양한 반응 영역으로 확장될 수 있다"고 말했다.

KAIST 생명화학공학과 박사과정 박선혜 학생과 최대은 학생이 공동 제1저자로 참여한 이번 연구 결과는 재료과학 분야 국제 학술지 '어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)'에 게재됐다.

jongseo12@news1.kr