[학생 인터뷰] 강병훈 박사과정 학생, 실시간 나노플라스모닉 PCR을 통한 초고속 분자진단 시스템 개발

(좌) 강병훈 박사과정 학생 (우) 정기훈 교수

실시간 나노플라즈모닉 PCR을 통한 초고속 분자진단 시스템

이번 달에는 5월 13일자 ACS Nano에 발표된 강병훈 박사과정 학생의 실시간 나노플라즈모닉 PCR을 통한 초고속 분자진단 시스템 (논문명: Ultrafast and Real-Time Nanoplasmonic On-Chip Polymerase Chain Reaction for Rapid and Quantitative Molecular Diagnostics)에 대한 인터뷰를 진행하였습니다.

Q1. 간단한 자기소개를 부탁드립니다.

안녕하세요, 카이스트 바이오및뇌공학과 정기훈 교수님 연구실의 박사과정 강병훈입니다. 저는 현재 박사과정 3년차이며 플라즈모닉 나노 구조를 활용한 초고속 분자진단 시스템 개발에 대하여 연구 중에 있습니다.

Q2. 5월 13일 ACS Nano에 나노플라스모닉 칩을 이용한 실시간 PCR과 분자진단에 관한 연구를 발표하셨는데 이에 대한 간단한 설명 부탁드립니다.

최근 발생한 코로나19를 포함한 전염성 높은 바이러스의 빠른 확산을 방지하기 위해서는 신속하고 정확하게 바이러스를 검출하는 것이 매우 중요합니다. 현재 병원에서 바이러스를 진단하는데 사용하는 방법은 역전사 중합효소연쇄반응(Reverse transcription polymerase chain reaction, RT-PCR)으로 바이러스 내부의 유전물질인 RNA를 상보적 DNA로 역전사 시킨 후 타겟 DNA를 증폭하여 형광 프로브로 검출하는 방법입니다. 하지만 기존 RT-PCR은 높은 민감도와 정확도에 비해, 검출시간이 매우 길고 고가의 대형장비를 갖춘 장소에서만 가능하기 대문에 검체를 운송한 후 진단하는 등 실시간 현장 대응의 한계점이 분명합니다.

이번에 ACS Nano에 발표한 연구내용은 초고속 실시간 나노플라즈모닉 PCR 기술에 대한 것으로, 백색 발광다이오드(LED)의 높은 광 흡수율을 갖는 나노플라즈모닉 기판에 진공 설계된 미세 유체칩을 결합해 소량의 검체를 신속하게 증폭하고 정량적으로 분석해 바이러스를 단시간 내에 정확하게 검출할 수 있습니다. 이번 연구에서는 SARS-CoV-2 플라스미드 DNA를 사용해 해당 기술을 검증했고, 40싸이클(95도-60도)을 5분 이내에 수행해 타겟 바이러스를 91%의 증폭 효율과 함께 정량적으로 검출했습니다. 이는 기존 실시간 PCR 시스템의 긴 소요 시간(약 1시간)에 비해 매우 빠르고, 높은 증폭 효율을 보이므로 신속한 현장 진단에 적용되기 적합할 것으로 기대됩니다.

Q3. Plasmonic nanopillar array를 이용한 광열 방식이 PCR의 속도를 빠르게 하는 원리를 설명해주실 수 있으실까요?

플라즈모닉 나노 기둥 어레이(Plasmonic nanopillar arrays)는 유리 나노 기둥 위에 금 나노섬이 있는 구조로 이들은 빛의 파장보다 작은 크기로 형성됩니다. 금 나노섬은 크기와 사이거리에 따라 가시광선 영역에서 빛을 흡수하는 파장이 매우 다양하게 변하며, 해당 나노 구조는 가시광선 전 영역에서 높은 광흡수율을 나타냅니다. 금 나노섬 구조에 빛을 조사하면 나노 입자 표면에서 전자가 여기되며 진동이 발생하는 플라즈몬 공명(Surface plasmon resonance, SPR) 현상이 발생하고, 여기 된 전자들이 금속원자들과 충돌을 일으키며 열에너지로 전환되는데 이 과정을 광열효과(Photothermal effect)라고 합니다. 특히, 광열효과는 빛으로부터 매우 빠르게 열로 발생시키기 때문에 가열속도가 매우 빠르다는 강점이 있습니다. 또한, 유리 나노 기둥 구조로 인해 열이 쉽게 빠져나갈 수 있기 때문에 냉각속도 또한 빠릅니다.

따라서 본 논문에서는 백색 발광다이오드(Light-emitting diode, LED)를 사용하여 기판의 온도를 빠르게 조절하였고, 이를 활용해 PCR 온도 사이클을 매우 빠르게 형성할 수 있었습니다. 예를 들어, 백색광이 켜지면 기판의 온도는 빠르게 올라가 3초이내에 100도, 30초 이내에 200도까지 도달하였으며, 백색광이 꺼지면 기판의 온도가 매우 빠르게 내려가는 것을 확인하였습니다.

Q4. Plasmonic nanopillar array에서 발생한 열이 샘플에 잘 전달되도록 하고 안에서 발생하는 기포 등을 조절하기 위해 사용한 방법을 소개해주실 수 있으실까요?

연구 초기에는 플라즈모닉 나노 기둥 어레이를 열발생장치로 사용하여 20마이크로리터 샘플용량으로 PCR을 시도했는데, 열발생장치의 수직적인 온도구배로 인해 PCR 효율이 다소 저하되었습니다. 그래서 샘플용량을 줄이고 균일한 온도전달을 위해 PDMS로 만들어진 미세유체칩을 플라즈모닉 나노 기둥 어레이에 직접 결합하여 시도하였습니다. 하지만 샘플 주입하면서 발생한 공기방울이나 PCR 과정에서 증발하면서 발생한 기포들이 높은 온도로 인해 팽창하면서 샘플이 높은 비율로 손실되는 문제점이 발생했습니다. 이를 해결하고자 미세유체칩 내에 진공설계를 추가하여 기압의 차이로 샘플이 자동 주입되도록 설계하였고, 주입과정에서 발생하는 공기방울들을 모두 제거할 수 있었습니다. 또한, PCR 과정에서의 기화 현상을 막기 위해서 PDMS의 혼합비율을 조절하여 아래층은 진공주입이 빠르게 될 수 있도록 높은 공기 투과도의 비율로, 위층은 기화를 막을 수 있도록 낮은 공기 투과도의 비율로, PDMS 이중층을 형성하였습니다. 결과적으로 광열현상을 이용한 초고속 PCR 과정에서의 문제점을 해결했고 높은 PCR 효율을 얻을 수 있었습니다.

Q5. 기존 benchtop PCR과 비교하여 굉장히 빠르게 진행되어 현장 진단에 유용하게 활용될 수 있어 보이는데 혹시 임상적 활용에 대한 의견과 후속 연구로 진행하시는 내용이 있다면 소개 부탁드립니다.

코로나 사태에서 가장 중요한 사항은 현장에서 신속하고 정확하게 개인의 감염여부를 확인하는 것입니다. 따라서 이번 논문에서 발표한 초고속 광열 PCR을 실제 현장에서 사용할 수 있도록 개발하는 것이 현재 저의 주된 업무입니다. 또한, 손에 잡을 수 있을 만한 크기의 초소형 시스템을 개발 중에 있으며 추후 임상실험도 진행할 계획에 있습니다. 자세한 연구 내용은 다음 논문에서 확인하시면 좋을 것 같습니다.

Q6. 마지막 공통질문으로 마치도록 하겠습니다. 앞으로 연구자의 길을 걷고자 하는 학생들에게 한마디 부탁드립니다.

대학원 과정 초기에는 연구가 되게 어렵고 과연 내가 할 수 있을까 라는 고민을 엄청 했습니다. 사실 앞서 말씀드린 것처럼 연구하는 과정에서 수도없이 많은 문제점이 생기고 그때마다 좌절하고 포기하고 싶은 마음이 생기는 것이 자연스럽다고 생각합니다. 제가 생각하는 대학원 과정은 문제가 발생할 때 그 문제를 어떻게 해결해나갈 수 있을지 스스로 공부하고 탐구해서 해결할 수 있는 능력을 배우는 단계라고 생각하고, 포기하지 않고 계속 부딪혀보는게 가장 좋다고 믿고 있습니다. 함께 연구자의 길을 걷고 있는 대학원생분들이나 연구자의 길을 준비하는 학부생들 모두 포기하거나 좌절하지 말고 문제점의 원인을 찾으려고 노력했으면 좋겠습니다.

[참고 논문]

B. -H. Kang, Y. Lee, E. -S. Yu, H. Na, M. Kang, H. Huh, and K. -H. Jeong, "Ultrafast and Real-Time Nanoplasmonic On-Chip Polymerase Chain Reaction for Rapid and Quantitative Molecular Diagnostics", ACS Nano (2021)

전재훈 기자(wjswogns1206@kaist.ac.kr)