코로나바이러스가 1년 반이 넘게 계속되고 있는 요즘, 이제 PCR 검사 경험이 한 번도 없는 사람은 찾기 힘들 것이다. 이는 우리에게 가장 보편적이고 익숙한 검사 방식이지만 결과 확인을 위해 12~24시간이 필요하다는 점, 가정에서 사용하지 못하고 특정 기관에 가야 한다는 점에서 편의상 용이하지 않다. 비강과 구강을 뚫는 불쾌한 느낌도 마냥 좋지만은 않고 말이다. 그렇다면 간단하게 가정에서 타액 샘플로만 코로나바이러스를 진단할 수 있다면 어떨까? 2021년 8월 6일, ‘ScienceDaily’에서는 이 모든 게 가능한 새로운 장치를 소개하며 이 원리에 관해 설명한다.

매사추세츠 공과대학교 (Massachusetts Institute of Technology, MIT)와 하버드 대학 (Harvard Uni.)의 기술자들은 타액 샘플에서 약 1시간 이내에 코로나바이러스 물질을 검출할 수 있는 작은 상판 장치를 설계했다. 새로운 연구에서, 그들은 이 장치가 현재 사용되는 PCR 검사만큼 정확하다는 것을 입증했다.

이 장치는 현재 퍼지고 있는 코로나바이러스의 변종과 돌연변이 또한 감지할 수 있다. 결과는 한 시간 이내에 얻을 수 있으며, 잠재적으로 다른 변종 바이러스를 추적하기가 훨씬 쉽다. 이러한 장점은 특히 유전적 서열 분석이 가능한 시설에 접근하기가 어려운 지역에서 더욱 돋보인다.

MIT의 의료 공학 및 과학 연구소(IMES)의 의학과 과학 분야의 교수 제임스 콜린스(James Collins)는 “우리는 개발한 장치가 출현하는 새로운 변이를 감지할 수 있도록 프로그램 되었으며, 이를 여러 용도에 맞춰 빠르게 사용할 수 있음을 입증했다.”라고 말했다. 그는 “이번 연구에서는 영국, 남아프리카, 브라질 변종들을 대상으로 했지만, 델타 변종들과 새롭게 나타날 다른 변이를 다루기 위해 이 진단 장치를 쉽게 적용할 수 있을 것”이라고 덧붙였다.

연구진은 이 장치는 3세대 유전자 가위 기술로 불리는 CRISPR (Clustered Regularly Inter-spaced Short Palindromic Repeats)에 의존한다고 밝혔다. 이는 15달러에 만들어질 수 있지만, 대규모로 생산이 가능해지면 그 비용은 상당히 낮아질 수 있다고 말한다.

콜린스 교수는 오늘 (8월 6일) 출간한 ‘사이언스 어드밴스’라는 새로운 연구 잡지의 수석 저자이다. 이 논문의 주요 저자들은 하버드 대학의 위스 생물학 영감 공학 연구소 (Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering)의 교수 헬레나 드 푸이그(Helena de Puig), 이 연구소의 방문 연구원이자 보스턴 소아 병원과 소아·청소년과 강사 로즈 리(Rose Lee), MIT 미디어 연구소의 대학원생인 데보라 나자르(Devora Najjar), 마지막으로 위스 연구소의 임상 연구원 샤오 탄(Xiao Tan)이다.

독립적인 진단

이 새로운 장치는 콜린스와 다른 연구원들이 2018년 처음 발표한 CRISPR 기반 시스템인 셜록(SHERLOCK)을 사용한다. 시스템의 구성 요소에는 특정한 RNA 서열을 검출할 수 있는 RNA 가이드 가닥과 이러한 서열을 분해하고 형광 신호를 생성하는 효소가 포함된다. 이 모든 분자 성분은 장기간 보관하기 위해서 동결 혹은 건조될 수 있으며 물에 노출되더라도 다시 활성화가 가능하다.

콜린스 연구소는 지난해 이 기술을 도입해 코로나바이러스 물질을 탐지하는 작업에 착수했다. 그들은 이 기술을 도입해 빠른 결과를 얻고, 전문지식이 거의 없는 사람도 장치를 쉽게 이용할 수 있을 것으로 기대하며, 타액 샘플을 사용하는 이 장치가 사용자가 더욱 원활하게 검사를 받을 수 있기를 원한다.

이를 위해 연구진은 RNA와 핵산을 파괴하는 효소를 무력화하는 중요한 전처리 단계를 도입해야 했다. 그 결과, 샘플이 장치에 들어가면 열처리와 두 개의 화학 시약 때문에 핵 분해 효소가 비활성화되고, 타액을 막에 통과 시켜 RNA를 추출한 뒤 타액을 농축할 수 있게 했다.

“그 막은 우리가 이 진단 장치에 대한 민감도를 얻기 위해 핵산을 모으고, 이를 농축하는 과정의 핵심적인 요소다.”라고 로즈 리는 말한다.

그런 다음, 이 RNA 샘플은 동결 건조된 CRISPR/CAS 구성 요소에 노출된다. 이 구성 요소 같은 경우, 장치 내에서 밀폐된 수분 저장소의 자동 천공 펑크 작업에 의해 활성화된다. 후에 일어나는 원-포트 합성은 RNA 샘플을 증폭시킨 다음 타깃인 RNA 서열을 검출한다.

샤오 탄은 “우리의 목표는 다른 장비가 필요 없는 완전히 독립적 진단 시스템을 만드는 것입니다.”라고 말한다. “기본적으로 환자가 이 장치에 타액을 묻힌 후 플런저를 누르면 한 시간 후에 결과가 나오는거죠.”

연구진은 최소 기기 셜록(minimally instrumented SHERLOCK, miSherlock)이라고 부르는 장치를 설계해 각각 다른 목표의 RNA 서열을 찾는 최대 4개의 모듈을 장착할 수 있게 했다. 기본 모듈은 코로나바이러스 변종 물질의 RNA 가이드 가닥을 포함하고 있고, 다른 모듈은 지난해에 발생한 일부 변형과 관련된 돌연변이 물질에 해당한다.

연구자들이 이 연구를 진행할 당시 델타 변형은 아직 널리 퍼지지 않았지만, 이미 구축된 시스템이 델타 변이를 감지하기 위한 새로운 모듈을 간단하게 설계할 수 있다고 주장한다. 이 시스템은 또한 계속해서 나올 새로운 돌연변이를 모니터링할 수 있도록 프로그래밍 될 수 있다.

나자르는 “만약 광범위한 조사를 하고 싶다면, 여러분은 우려하는 돌연변이가 나오기 전에 잠재적으로 이를 관찰하기 위한 분석을 설계할 수 있다.”고 말했다.

변이를 추적하다

연구진은 먼저 이 기계로 합성된 코로나바이러스 RNA 염기서열이 검출되어 양성 반응을 보인 환자들로부터 샘플 50여 개를 채취해 장치의 정확도를 검사했다. 결과적으로 그들은 이 장치가 현재 사용되는 표준 PCR 검사만큼 정확하다는 것을 알아냈다. PCR 검사는 이 장치와 비교하여 비강 면봉 작업 시간이 길고, 하드웨어와 샘플을 다루는 시간이 훨씬 더 많이 소요된다.

이 장치는 맨눈으로 볼 수 있는 형광 판독 값을 제시하며, 연구진은 결과를 판독해 보건부로 쉽게 보낼 수 있는 스마트폰 앱도 제작했다.

연구원들은 그들의 장치가 미국 식품의약처 FDA의 허가를 받아 대규모로 제작이 가능하다면, 장치당 $2에서 $3의 저렴한 비용으로 생산될 수 있을 것으로 믿고 있다. 그들은 이러한 진단이 PCR 검사나 변종 물질 유전자 배열에 대한 광범위한 접근이 없는 지역의 가정과 의료 센터들에서 유용할 수 있다고 예상한다.

“이러한 변형을 탐지하고 추적하는 능력은 효과적인 공공 보건에 필수적이지만, 유감스럽게도 현재 변종들은 자원이 풍부한 국가의 전문 역학 센터에서도 보기 드문 핵산 서열로만 이루어져 있다.”라고 드 푸이그는 말한다.

이 연구는 위스 연구소의 엘런 프런티어(Allen Frontiers) 그룹의 폴 G(Paul G), 국립 보건 연구소가 지원하는 하버드 대학 에이즈 연구 센터의 지원을 받았으며 미국 의학 및 위생 협회의 박사들의 펠로우쉽, 미국 위장 병학 연구 학자들의 도움을 받았다.

김다연/금천고등학교/금천SARKA

김민주 지속가능바람 저널리스트

김다연/금천고등학교/금천SARKA, 김민주 지속가능바람  horizonnvision@naver.com

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