▲ 분할 T7 스위치(Split T7 switch) 기반의 CFPS system의 작동 원리, Split probe 1(SP1)과 SP2로 이뤄진 검출 프로브는 표적 핵산이 존재할 때만 삼방향 접합구조를 이룬다. 삼방향 접합구조가 형성되면서 분할돼 있던 T7 프로모터 영역이 이중가닥으로 완전히 구성되고, 표적 핵산의 존재에 의해 특이적으로 전사 및 번역이 개시될 수 있다. 유전자 발현 부분에 다양한 리포터 단백질을 인코딩함으로써 다양한 검출 방식(형광, 발색)으로 활용이 가능하다. 사진은 건국대 연구도식

건국대학교 공과대학 박기수 교수(생물공학과) 연구팀이 다양한 병원체를 1시간 이내에 고감도로 검출할 수 있는 ‘split T7 switch’ 기반의 신규 진단 기술을 개발했다고 24일 밝혔다.

‘split T7 switch’는 병원체의 DNA, RNA와 같은 표적 핵산을 검출하기 위한 스위치다. 검출하고자 하는 표적 핵산이 존재하면 3방향 접합 구조가 형성되고, 완전한 형태의 분할 T7 프로모터를 생성해 무세포 단백질 합성 시스템(cell-free protein synthesis; CFPS)을 통한 전사(transcription) 및 번역(translation)이 시작된다.

해당 기술은 기존의 Toehold switch 기반 무세포 단백질 합성(Cell-Free Protein Synthesis; CFPS) 시스템의 한계를 극복했다. 기존의 시스템은 표적 핵산이 없는 경우에도 번역 누출이 발생해 부적절한 배경 잡음 신호가 발생할 수 있으며 민감도 성능이 떨어진다.

반면 신규 진단 기술은 37도 등온 조건에서 작동하며, 표적 핵산이 존재할 때만 리포터 단백질의 생산을 위한 전사와 번역이 시작되도록 설계해 기존 진단 시스템 대비 약 3000배 개선된 높은 민감도와 특이도로 표적 핵산을 검출할 수 있다. 특히 리포터 단백질의 형광 및 발색 신호를 모두 사용할 수 있어 다양한 진단 환경에서 유연하게 적용이 가능하다.

또한 기존 시스템과 비교해 노동 집약적인 최적화 과정을 획기적으로 단축시켰다. 고강도 스크리닝 및 RNA 생성 과정 없이 표적 핵산의 인식 부위만 교체해 다양한 표적 핵산의 검출에 유연하게 적용이 가능하며, 복잡한 검출 프로브 제작 과정은 분할 단백질의 ‘self-complementation’ 방식을 활용해 단순화시키고, 전체 수율도 높였다.

이러한 기술적 혁신은 분자 진단 기술의 실질적 사용 가능성을 대폭 향상하고, 비용 효율성을 높여 대량 생산을 쉽게 하는 등 다양한 현장 진단 환경에서 신속하고 정확한 표적 핵산의 검출을 가능하게 한다.

이번 연구에서 제안하는 Split T7 switch 기반의 시스템은 인유두종 바이러스와 코로나바이러스를 포함한 다양한 병원체를 1시간 이내에 신속하고 정확하게 검출할 수 있어, 실제 현장 진단에서 유용하게 활용될 뿐만 아니라 다양한 병원체 및 질병 바이오마커를 효과적으로 관찰하기 위한 핵심 플랫폼으로도 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

이번 연구 결과는 바이오센서 분야 세계적 학술지인 ‘Biosensors and Bioelectronics (IF=12.6, JCR 상위 1.7%)’에 게재 승인을 받았으며, 과학기술정보통신부(NRF-2020R1C1C1012275)와 식품의약안전처(21163MFDS501)의 지원을 받아 수행됐다.

※ 논문 URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0956566324005220