한국과학기술연구원, 고려대 공동연구진이 개발한 세포막-전계효과트랜지스터 바이오센서 (한국과학기술연구원 제공) 2021.07.29 /뉴스1

미량의 분자를 검출할 수 있는 기초 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 나노 과학, 분자 생물학, 각종 질병 연구에 적용되면 더 미세하게 분자를 검출할 수 있다.한국과학기술연구원(KIST)은 유용상 뇌과학연구소 박사, 김철기 센서시스템연구센 박사팀이 안동준 고려대학교 화공생명공학과 교수팀과의 공동연구를 통해 '전기신호를 이용하는 분자 검출기술'(FET)의 민감도를 획기적으로 끌어 올리는 기술을 개발했다고 밝혔다.

전기신호를 이용하는 센서 기술인 전계효과트랜지스터(FET) 기반 분자검출 기술은 그간 바이러스, 단백질, DNA 등 다양한 분자를 검출할 수 있다는 장점에도 불구하고 상용화가 쉽지 않았다.

검출물의 용액 내에 존재하는 이온 및 전하의 농도가 높을수록 분자 검출 가능 영역이 얇아지기 때문이다. 예를 들어 혈액 한 방울의 경우 분자 검출 가능 영역은 검출하려는 분자보다도 얇은 1나노미터(nm) 수준에 불과해 분자가 검출부에 부착되었더라도 전기신호 관측이 어려웠다. 이에 시료를 희석하는 등의 방법이 시도되기도 했다.

연구팀은 이 같은 걸림돌을 제거할 아이디어를 사람의 세포막에서 얻었다. 인체의 세포막은 세포 안팎의 이온 농도를 조절할 뿐만 아니라 고농도 이온이 세포 내부로 침투하는 것을 억제한다. 세포막의 특성을 활용하기 위해 기존의 FET 기반 분자검출 칩 표면에 세포막을 도포하는 실험이 시도됐다. 그 결과 고농도 이온 용액에서도 별도의 전처리 없이 분자검출이 가능하다는 것을 확인했다.

'세포막-FET'(Lipid-FET)로 명명된 새로운 기술은 기존처럼 검사 대상 용액을 희석하지 않고 혈액 원액 그대로도 기존 센서보다 민감하게 원하는 분자를 검출할 수 있다.

연구팀은 "현재까지 전 세계적으로 보고된 전계효과 기반 분자검출기술 중 가장 뛰어난 성능을 나타내고 있는 것으로 확인됐다"고 밝혔다.

이번 연구성과는 치매 단백질 등 다양한 질환을 진단할 수 있을 뿐 아니라 바이러스성 감염병과 미세 플라스틱 등 의료, 보건, 환경 등 바이오센서 전반에서 광범위하게 응용이 가능한 플랫폼 기술이다.

유용상 KIST 박사는 "정보기술(IT), 나노기술(NT), 바이오기술(BT) 등 여러 분야의 공동연구진이 융합연구를 통해 개발한 세포막-FET 분자검출은 현재 전기적 신호를 이용해 분자를 검출하는 모든 시스템에 바로 적용할 수 있는 기술"이라고 설명했다.

김철기 KIST 박사는 "세포막에 흡착돼 단백질 변성을 일으킨다고 알려진 치매, 파킨슨병, 당뇨병 등과 같은 질병뿐만 아니라 코로나19, 조류독감 등 극미량의 감염병 바이러스를 더욱 신속하고 정밀하게 진단하는 기술 등 다양한 연구분야에 폭넓게 적용될 수 있게 하는 연구를 병행하고 있다"고 밝혔다.

이번 연구는 다양한 입자를 제공받아서 연구력을 확장하는 후속 연구와 더불어 상용화된 검증된 반도체칩(FET)에서도 동일한 성능이 나오는지 검증하는 작업이 필요하다.

이번 연구는 과학기술정보통신부의 지원을 받아 KIST 주요사업, KU-KIST 사업 및 한국연구재단 중견연구자지원사업 및 미래소재디스커버리사업으로 수행됐으며, 연구 결과는 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications) 최신 호에 게재됐다.

제1저자로는 이동근 학생연구원과 정우혁 연구원이 참여했다.


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