심상준 교수(고려대) 연구팀이 암세포 유전자의 변이를 신속하고 정확하게 검출할 수 있는 바이오 융합 금 나노입자 기반의 바이오센서를 개발했다.

심상준 교수.

바이오 융합 신규 나노입자 개발 기술을 통해 합성한 금 나노입자를 실제 임상에 적용시킨 첫 사례다. 이번 연구는 다양한 형상의 입자를 사전에 설계, 응용 목적에 맞게 입자를 제작해 차세대 나노 의료 혁신기술 개발의 원천기술이 될 전망이다.

유방암의 조기 진단과 예방을 위해 유전자 검사에 대한 관심이 높다. 2013년 미국 영화배우 안젤리나 졸리가 BRCA1 유전자의 돌연변이를 발견하고 예방적 유방 절제술을 받으면서 더욱 주목받기 시작했다.

BRCA1 유전자는 세포 내 DNA 손상을 복구하고 종양을 억제하는 역할을 하며, 돌연변이가 발생하면 유방암 발병률이 80%에 달한다. 정밀한 유전자 돌연변이 검출을 위해 많은 기술개발이 있었지만, 아직까지 검출 시간, 민감도 등의 측면에서 한계가 있다.

연구팀은 금 나노입자의 빛에 대한 민감도를 이용해 유전자의 점 돌연변이를 감지하는 바이오센서를 개발했다. 단 2분 만에 분자 수준에서 돌연변이를 정밀하게 검출해냈다. 점 돌연변이란 DNA를 구성하는 염기 중 하나가 변환돼 나타난다.

형태별 입자의 민감도 비교 및 ‘나노 브릿지’ 구조 제작. 각기 다른 네 가지 형상의 금 나노입자들의 주변 매질 굴절률 대비 산란광의 피크 이동을 분석한 결과 나노 브릿지 구조가 가장 광에 대한 민감도가 높음을 확인하고 해당 구조의 입자를 제작했다.

유전자를 복구하기 위해 점 돌연변이 부분에 뮤트S(MutS) 단백질이 결합하는데, 이 과정을 금 나노입자의 산란광 변화를 통해 감지했다. 금 나노입자의 민감도를 대폭 향상시키기 위해 기존의 생체분자 상호작용 분석에 주로 사용되던 구형 또는 막대형 금 나노입자보다 광에 대한 민감도가 대폭 향상된 금 나노 브릿지 구조를 합성했다.

합성 시에 사용되는 용액의 pH 조건에 따라 나노입자 합성 양상이 변화한다는 것을 확인하고, 최적의 pH 조건(pH 5)을 찾아 금 나노 브릿지 구조를 83%의 매우 높은 수득률로 합성하는 것에 성공했다.

8가지 종류의 BRCA1 유전자 점 돌연변이의 속도론적 분석. BRCA1 유전자 상에 발생한 점 돌연변이의 종류에 따른 MutS 단백질과의 상호작용을 속도론적으로 분석한 결과 GT>GG>+C>AA>TC>-C>AC>GA 점 돌연변이 순으로 높은 속도 상수를 나타냈다.

연구팀은 개발한 금 나노입자 바이오센서를 적용해 실제 암 세포주에서 점 돌연변이의 유무뿐 아니라 어떤 변이가 발생했는지까지 진단하는 데 성공했다. 점 돌연변이의 종류가 달라지면 뮤트S 단백질의 결합 속도에 영향을 받는 원리를 이용했다.

2가지 암 세포주에서 BRCA1 유전자의 점 돌연변이 분석. 암 세포주(왼쪽 유방암, 오른쪽 난소암) 내에 존재하는 BRCA1 유전자의 점 돌연변이 종류를 분석했다. 유방암 세포주(HCC1937)에서는 삽입 돌연변이(+C)가 난소암 세포주(SNU-251)에서는 치환 돌연변이(G>A)가 발생한 것을 밝혀냈다.

심상준 교수는 “이 연구는 단일 나노입자의 독특한 형태를 통해 빛에 대한 민감도를 대폭 향상시킨 광학 플랫폼 기술”이라며, “극소량의 시료만으로도 다양한 유전적 질환을 쉽고 빠르게 실시간으로 진단할 수 있으므로 환자 맞춤형 치료를 위해 의료 현장에서 폭넓게 활용될 수 있을 것이다”라고 연구의 배경과 의미를 설명했다.

한국연구재단에 따르면 이 연구 성과는 과학기술정보통신부‧한국연구재단의 기초연구사업(중견연구)와 기후변화대응기술개발사업(Korea CCS 2020), (주)코디엠의 지원으로 수행됐다.

국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’에 2월 19일 게재됐다.

 

* 논문명

Single gold-bridged nanoprobes for identification of single point DNA mutations

* 저 자

마흥의(Xingyi Ma) 박사(고려대학교/제1저자), 송소진(고려대학교), 김수현(고려대학교), 권미선 박사(서울대학교), 이현숙 교수(서울대학교), 박원장 교수(콜로라도 대학교), 심상준 교수(고려대학교/교신저자)