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[2024. 11. 15.] 연세대 신용 교수팀, 저비용 DNA 기반 나노구조체 센서 개발 2024.11.15

신촌 홍보팀

연세대 신용 교수팀, 저비용 DNA 기반 나노구조체 센서 개발

- 게놈 내 단일 염기 돌연변이 다중 검출을 위한 핵산 기반 나노구조체 센서 개발 -

- 화학공학 분야 세계적 학술지인‘케미컬 엔지니어링’ 게재 -

연세대학교 생명공학과 신용 교수 연구팀이 DNA 기반 나노구조체 센서를 활용한 게놈 서열 내 단일 염기 돌연변이 다중 검출법을 개발했다.

이 연구 성과는 화학공학 분야의 세계적 학술지인 ‘케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal, IF 13.3)’에 11월 15일 게재됐다.

유전자 변이는 종양을 포함한 질환에 대한 취약성, 노화, 약물 반응과 같은 다양한 유전적 특성을 파악하는 데 중요한 요소로, 그 중 단일염기 다형성(Single-Nucleotide Polymorphism, SNP)은 가장 흔한 변이 유형 중 하나로 알려져 있다.

기존의 유전자 변이를 식별하는 기술은 차세대 시퀀싱(Next-Generation Sequencing, NGS), 형광 프로브 기반 분석 등이 있지만, 이러한 기술은 고가의 장비와 전문 지식이 요구돼 자원이 제한된 환경에서는 사용하기 어렵다는 한계가 있다.

이러한 문제점을 극복하기 위해 연세대 신용 교수 연구팀은 핵산을 활용해 DNA 기반 나노구조체 센서(DNA-based Nanostructure Sensor)를 개발했다.

이 센서는 구조체 위에 특정 유전자 서열을 감지하기 위해 전략적으로 배치된 검출 가닥(Detector Strand)이 존재하며, 타겟 염기서열이 있을 때 센서의 구조가 변환돼 겔 전기영동만으로 다중 검출이 가능하다. 기존의 복잡한 장비 없이도 유전자 변이를 감지할 수 있는 방식이다.

연구 결과에 따르면, 검출하고자 하는 서열이 존재할 때 DNA 기반 나노구조체 센서는 비특이적 결합을 방지하는 결합 페널티를 도입해 다양한 SNP 유형을 높은 특이도로 구분할 수 있다. 또한, 비대칭 증폭 기술을 접목해 기존에는 탐지할 수 없었던 이중 가닥 DNA에서 단일 염기 돌연변이도 효과적으로 감지할 수 있게 됐다.

이 센서는 핵산으로 이루어져 있어 보관이 쉬우며, 검사 비용이 저렴한 비용(약 0.4달러)으로 맞춤형 설계가 가능한 유연성을 가진다. 또한, 간단한 시약 혼합 및 겔 전기영동만으로 직관적인 돌연변이 다중 검출이 가능해 자원이 제한된 환경에서도 손쉽게 활용할 수 있다는 장점이 있다.

연구팀은 DNA 기반 나노구조체 센서의 임상적 유용성을 검증하기 위해 서울아산병원 대장항문외과 임석병 교수팀과 협업해 70명의 대장암 환자 시료에서 항암제 내성과 관련한 KRAS 변이 유형을 조사했다. 그 결과, 기존 염기서열 분석법과 비교해 DNA 기반 나노구조체 센서는 98.57%의 민감도와 95.71%의 특이도로 주요 KRAS 돌연변이를 정확하게 탐지하며, 임상 환경에서의 적용 가능성을 입증했다.

신용 연세대 생명공학과 교수는 “이번 연구를 통해 저비용으로 여러 유전자 변이를 진단할 수 있는 DNA 기반 나노구조체 센서를 개발했다.”며, ”추후 DNA 기반 나노구조체 센서를 활용한 병원체 다중 검출을 비롯해 다양한 유형의 질환군 다중 검출 기술로 확대가 가능하다.”고 말했다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단 중견연구자사업의 지원을 받아 수행됐으며, 연세대 이은영 박사과정생(제1저자), 신용 교수(교신저자), 서울아산병원 대장항문외과 임석병 교수(공동저자)가 함께 참여했다.

붙임 1. 연구진 사진 1장.

2. 논문 대표 이미지 1장.

3. 논문 파일 1부. 끝.

(사진 설명)

1. (왼쪽부터) 연세대 생명공학과 이은영 연구원, 신용 교수

2. 이번 연구에서는 DNA 기반 나노구조체 센서와 비대칭 증폭을 통해 게놈 내 돌연변이 다중 검출 기술을 개발했다. 이를 활용하여 인간 유전체 내 질병 관련 돌연변이 유전자의 다중 검출이 가능하다.

(논문 정보)

1. 논문 제목: Programmable DNA-Based Nanostructure Sensors for Mutation Detection Coupled with Asymmetric Amplification in Precision Genome Profiling

2. 논문 주소: https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.157436