화공생명공학과 강태욱 교수, 기계공학과 김동철 교수 공동연구팀,

플라즈모닉 나노구조체를 기반으로 한 초고속 초고감도 차세대 PCR 장치 개발

- 재료과학분야 최상위급 국제학술지 ‘Advanced Materials’ 게재 -

강태욱 교수 연구팀(공동 제1저자: 황금래, 신용희 박사후연구원)이 기계공학과 김동철 교수 연구팀(공동 제1저자: 민준원 박사과정생)과 Harvard 대학교 Luke P. Lee 교수 연구팀과의 공동 연구 성과를 통해 플라즈모닉(plasmonic) 나노구조체를 활용하여 초고속으로 유전자를 증폭하여 질병을 초고감도로 진단할 수 있는 기술을 개발하였다.

중합효소 연쇄 반응(polymerase chain reaction, PCR)은 유전자를 증폭하는 기술로 분자진단법(molecular diagnostics)의 표준으로 여겨지고 있다. 하지만 기존 PCR 기술은 민감하게 검출하기 위해 큰 부피의 용액을 사용해야하여 증폭하는 데에 수 시간이 걸릴 뿐만 아니라 용액 내의 온도 분포가 균일하지 않아 낮은 농도의 유전자를 검출할 때에는 위음성(false-negative) 결과가 나올 수 있다는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 공동연구팀에서는 금 박막과 유리 사이에 아령 형태의 금-실리카 나노입자를 단일층으로 자가배열(self-assembly)하여 플라즈모닉 나노구조체를 제작했다. 제작한 나노구조체는 DNA를 (1) 모세관 현상을 기반으로 하여 내부의 작은 공간에 자발적으로 농축, (2) 빛을 열로 전환하여 증폭, 그리고 (3) 광학 검출법을 기반으로 민감하게 검출하는 3가지 기능을 수행할 수 있다. 개발한 차세대 PCR 장치는 기존 PCR 장치 대비 약 20배 빠르게 코로나 바이러스(SARS-CoV-2)의 유전자를 민감하게 검출할 수 있었다.

<그림 1>

▲ (왼쪽) 개발한 플라즈모닉 나노구조체의 핵심 기능 모식도 (오른쪽) 플라즈모닉 나노구조체를 이용한 유전자 초고속 초고감도 검출 과정 모식도

해당 연구는 미공군과학연구소(Air Force Office of Scientific Research)의 지원, 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 ‘해외우수연구기관협력허브구축사업’과 ‘중견연구자지원사업’의 지원, 그리고 교육부와 한국연구재단이 추진하는 ‘대학중점연구소지원사업’의 지원을 받아 수행되었으며, 연구 결과는 재료과학분야 최상위급 국제학술지 ‘Advanced Materials’(Impact Factor: 29.4, JCR 상위 2.2%)에 게재되었다.

논문 제목: Capillarity-driven Enrichment and Hydrodynamic Trapping of Trace Nucleic Acids by Plasmonic Cavity Membrane for Rapid and Sensitive Detections

논문 링크: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202403896