최근, 차세대 유전자 시퀀싱 기술과 생물정보학의 발전으로 질환과 유전자와의 상관관계가 밝혀지고 있다. 특히, 유전자 변이에 의한 질환인 각종 암과 감염원에 의한 만성질환 등은 유전자를 정밀하게 분석함으로써 질환의 특징을 자세히 파악할 수 있다.   

질환에 대한 정보를 보유한 유전자는 현재까지 real-time PCR(실시간 핵산증폭(polymerase chain reaction), *용어설명) 기술로 한번에 3~4종의 유전자까지만 분석할 수 있었다. 따라서 여러 종의 마커를 분석하려면 그에 따른 비용이 가중되어 진단법으로 자리잡는데 불리하며, 환자로부터 얻는 시료 중에는 여러 번의 분석에 필요한 양을 채취하기 어려운 경우도 있다.

한국과학기술연구원(KIST 원장 이병권) 뇌과학연구소 바이오마이크로시스템 연구단 김상경 박사팀은 기존의 유전자 정밀 다중분석 비용과 시료의 제한을 해결하기 위해 표지(Marker)를 가진 마이크로 입자에서 핵산을 고효율로 증폭하는 기술을 개발했다. 표적 유전자만을 증폭하는 프라이머(특정 DNA단편, *용어설명)을 다량 함유한 다공성 마이크로입자에서, 실시간으로 증폭과정의 형광신호를 측정하여 그 유전자의 유무와 양을 측정한다. 몇 가지 유전자를 동시에 분석하고자 하면 해당되는 입자를 골라서 시료와 섞고 함께 분석하면 되고, 이때 각 입자에는 해당되는 표적유전자가 패턴으로 표지되어 신호를 구분할 수 있다..

핵산증폭용 마이크로입자는 다공성 하이드로젤 (*용어설명)로 구성되어 있고 광가교반응 (*용어설명)을 통해 인식패턴과 프라이머를 포함한 형태로 제작된다. 제작과정이 빠르고 안정적이며 대량생산이 가능하여 제품으로 개발할 때 가격경쟁력이 높을 것으로 기대된다. 도장과 같이 올록볼록한 구조를 가진 기판에 폴리머 전구물질과 프라이머를 포함한 액체를 떨어뜨려 반구모양의 액적을 만들고 자외선을 쬐어 완성한다. 입자의 크기는 100~500 마이크로미터 정도의 범위에서 조절가능하며 입자식별을 위하여 다양한 패턴을 넣을 수 있다. 현재는 패턴인식으로 10만 종류 이상의 입자 식별이 가능한 코드를 적용하여, 한꺼번에 분석하는 유전자 표적의 수는 거의 제한이 없다. 

김상경 박사팀은 질환의 표지자로 주목받는 miRNA (*용어설명) 10종을 1.5 mm 폭의 용기에서 동시에 검출하였다. 각각의 miRNA를 선택적으로 증폭하는 입자를 1개씩 모은 10개의 입자다발과 극미량의 생체시료를 섞고 그 속에 포함된 10종의 miRNA 양을 분석한 것이다. 더 작은 입자를 이용하게 되면 100개 이상의 동시분석도 가능하다. miRNA는 생체조절물질로서 폭넓게 연구되는 대상으로, 특히 세포간의 신호를 전달하는 세포외 소포체(*용어설명)에 풍부하게 포함되어 암, 치매 등의 퇴행성 질환의 진행을 표지하는 마커로서 잠재력이 크다. 이번에 개발된 핵산분석기술을 이용하여 수십 종의 miRNA의 양적인 변화를 동시에 측정하면 질환을 보다 정밀하게 진단할 수 있게 된다.

이번 연구는 여러 가지 핵산을 분석하는 동시에 감염성 질환을 정밀하게 파악하고 치료하는 데에도 적용가능하다. KIST 김상경 박사는 “감염균의 정확한 유전형(*용어설명)과 약물 내성 등을 단 1회 분석만으로 파악이 가능하며, 같은 비용으로 환자에게 더 유리한 의료서비스를 제공하는 차별화된 진단기술로 발전될 수 있다. 특히 퇴근 메르스나 지카바이러스 등 신변종 감염병 바이러스와 같이 시급하고 정밀한 진단이 필요한 경우 유용한 기술로 활용되기를 기대한다. 향후 빠른 시일안에 상용화가 될 수 있도록 임삼시험등 필요한 연구들을 계속 진행해나가는 것이 목표”라고 말했다. 

본 연구는 미래창조과학부 지원으로 KIST 개방형 연구사업, 미래원천 연구사업, 보건복지부 미래융합 의료기기 개발사업을 통해 수행되었으며 연구결과는 세계적 권위를 자랑하는 Nature의 자매지로서 융합기술분야 국제 저명 학술지인 Scientific Reports (IF: 5.578)에 3월 온라인판에 게재되었다. 또한 해당 연구결과는 국내특허 (출원번호: 1020130128696) 및 해외 PCT (출원번호: PCT/KR2016/001493) 출원되어 등록과정에 있다.

     * (논문명) Extensible Multiplex Real-time PCR of MicroRNA Using Microparticles

      - (제1저자) 한국과학기술연구원 정승원 박사

      - (교신저자) 한국과학기술연구원 김상경 박사

<그림자료>

<그림1> 표적유전자용 다공성 표지입자의 구성도 및 표적 유전자 농도별 입자내 형광 증폭 과정

<그림2> 입자의 제작과정 (위) 및 제작된 표지입자 이미지 (아래)