【브레이크뉴스 포항】박영재 기자=POSTECH(포항공과대학교)은 신소재공학과 오승수 교수 ·우성욱 교수 · 통합과정 김진민 씨 연구팀은 복잡한 전처리 과정 없이 생체 시료로부터 곧바로 체내 표적 분자를 빠르게 검출할 수 있는 압타머 센서 시스템을 개발했다고 21일 밝혔다.

▲ 기본 개념도. 프로티노좀이 내부에 탑재된 압타센서를 유해 단백질들로부터 보호하고 표적 분자만을 크기 선택적으로 통과시킴으로써, 생체 시료에 대한 전처리 없이 표적 물질을 신속하고 효과적으로 검출할 수 있도록 함.  © 포스텍

이 연구는 바이오센서 분야 국제 학술지인 ‘바이오센서스 앤 바이오일렉트로닉스(Biosensors and Bioelectronics)’에 최근 게재됐다.

연구팀은 이번 연구에서 단백질과 고분자가 연결된 양친매성 물질의 자기조립 현상을 바탕으로 프로티노좀(proteinosome)이라 불리는 구형 마이크로 캡슐을 만들었다.

이 캡슐은, 타겟 분자와 반응하여 즉각적으로 형광 신호를 내는 구조변형 압타머 기반 ‘압타센서’를 내부에 탑재하도록 설계되었고, 표면이 크기 선택적 반투과성 막으로 되어 있어 크기가 큰 유해 단백질들의 내부로의 이동은 효과적으로 차단하면서 크기가 작은 표적 분자만을 선택적으로 내부로 통과시켰다.

그 결과, 압타센서의 표적 탐지 성능이 최적의 상태로 온전히 보존되었으며, 생체 내 중요 여성 호르몬으로서 자궁암 발병과 관련된 에스트라디올과 신경전달물질인 도파민, 그리고 마약류인 코카인 등 표적 분자에 대해, 전처리 없이도 효과적이고 신속한 시료 내 검출이 가능함을 보였다.

연구진이 개발한 캡슐의 유해 단백질 차폐 효과는 매우 뛰어나서, 캡슐 내부의 압타센서는 일반 혈청 수준의 최대 30만 배나 되는 고농도 핵산분해효소 용액에서도 18시간 동안 전혀 손상되지 않고 우수한 특성을 유지함이 확인되었다.

▲ 주요 결과 요약. (A) 프로티노좀을 사용하지 않으면 혈청 내에서 압타센서가 완전히 분해되지만, 프로티노좀 캡슐로 보호해 주면 오랜 시간 후에도 분해되지 않음. (B) 프로티노좀 각각이 개별적인 ‘반응 용기’ 역할을 해주어, 다른 압타센서를 탑재한 프로티노좀을 섞음으로써 여러 표적 물질에 대한 검출을 동시에 독립적으로 가능하게 함.  © 포스텍

또한, 각각의 캡슐이 독립적인 ‘반응 용기’ 역할을 하는 점을 이용하여, 서로 다른 표적 물질에 대한 압타센서를 탑재한 캡슐 용액을 섞어줌으로써 동시에 여러 표적 분자를 독립적으로 감지하고 각각의 농도 변화를 모니터링할 수 있음을 입증하였다.

이번 연구를 이끈 오승수 교수는 “샘플 분리와 표적 센싱(sensing)을 융합함으로써 혈청 등 생체 시료에서 곧바로 사용 가능한 새로운 소분자 현장 진단용 바이오센서 기술을 세계 최초로 개발했다”며, “질병 조기 발견에서부터 개인 맞춤형 치료까지 의학 분야에 혁명을 가져올 수 있는 플랫폼이 될 것으로 기대된다”는 전망을 전했다.

또, 통합과정 김진민 씨는 “프로티노좀 기반 센싱 플랫폼은 내부 물질을 교체하면 다양한 목표 분자에 대한 센서로서 확장이 가능하다”는 말을 전했다.

한편, 이 연구는 과학기술정보통신부 및 한국연구재단의 미래유망 융합기술 파이오니아사업 및 기본연구, 산업통산자원부 한국산업기술기획평가원의 연구 지원 사업, 국방과학연구소 민군협력진흥원의 민군겸용기술개발사업과 한국기초과학지원연구원의 기초과학연구역량강화사업의 지원으로 수행되었다.

<구글 번역으로 번역한 영문 기사의 전문 입니다. 번역에 오류가 있을 수 있음을 밝힙니다.>

POSTECH research team develops molecular sensing platform for on-site diagnosis that does not require preprocessing

POSTECH (Pohang University of Science and Technology) announced on the 21st that the research team of Professor Seungsoo Oh of the Department of Materials Science and Engineering, Professor Sungwook Woo, and Jinmin Kim of the Integrated Course developed an aptamer sensor system that can quickly detect target molecules in the body directly from biological samples without complex preprocessing.

This study was recently published in ‘Biosensors and Bioelectronics,’ an international academic journal in the biosensor field.

  In this study, the research team created spherical microcapsules called proteinosomes based on the self-assembly phenomenon of amphiphilic substances linked to proteins and polymers.

This capsule is designed to be equipped with an 'aptasensor' based on a structurally modified aptamer that reacts with a target molecule and produces an immediate fluorescent signal, and its surface is made of a size-selective semi-permeable membrane, so it can prevent large harmful proteins from entering the inside. While effectively blocking movement, only small target molecules were selectively allowed to pass inside.

As a result, the target detection performance of the aptasensor was preserved in an optimal state, and it was effective even without pretreatment on target molecules such as estradiol, an important female hormone in vivo and related to the development of uterine cancer, dopamine, a neurotransmitter, and cocaine, a narcotic. It was shown that accurate and rapid detection in samples was possible.

  The capsule developed by the research team was so effective in shielding harmful proteins that the aptasensor inside the capsule was confirmed to maintain its excellent properties without being damaged at all for 18 hours even in a high-concentration nucleic acid enzyme solution up to 300,000 times the level of normal serum.

In addition, by taking advantage of the fact that each capsule acts as an independent 'reaction vessel', it mixes capsule solutions equipped with aptasensors for different target substances to independently detect multiple target molecules at the same time and monitor concentration changes for each. It has been proven that monitoring is possible.

  Professor Seungsoo Oh, who led this research, said, “By combining sample separation and target sensing, we have developed a new small molecule on-site diagnostic biosensor technology that can be used directly in biological samples such as serum for the first time in the world.” He added, “From early detection of disease to personalized treatment. “It is expected to become a platform that can bring about a revolution in the medical field.”

In addition, Jinmin Kim from the integration process said, “The proteinosome-based sensing platform can be expanded as a sensor for various target molecules by replacing the internal material.”

  Meanwhile, this research was conducted through the pioneer project and basic research on promising future convergence technologies of the Ministry of Science and ICT and the National Research Foundation of Korea, the research support project of the Korea Institute for Industrial Technology Planning and Evaluation of the Ministry of Trade, Industry and Energy, and the civil-military technology development project of the Civil-Military Cooperation Promotion Agency of the Agency for Defense Development. It was carried out with the support of the Basic Science Research Capacity Building Project of the Korea Basic Science Institute.

​