이택 교수(화학공학과) 연구팀, 

신속한SELEX 모니터링 시스템 구축 및 이를 적용한 뎅기바이러스 바이오센서 개발

- 신속한 SELEX 모니터링을 위해 단계별 모니터링 방법 개발 -

- 신속한 SELEX 모니터링 방법을 적용하여 만든 바이오센서의 실용 가능성 증명 -

- 국제 저명 학술지 Chemical engineering journal (IF : 13.3, JCR: 3.8%) 게재 -

본교 화학공학과 이택 교수 연구팀의 장문봉 석사 과정, 박한빈 석사 과정, 박현준 박사 과정생이 공동 1 저자로 ACEF 기법을 적용한 전기화학 SELEX 모니터링을 구축하였으며 이를 적용하여 만들어진 압타머를 통해 뎅기바이러스 바이오센싱 플랫폼을 구축하였다.

단일가닥 DNA 또는 RNA 분자로 구성된 압타머는 특정 분자에 대한 높은 특이성을 가지고 있어, 항체의 라이벌로 주목을 받고 있다. 항체와 압타머는 특정 분자를 공통적으로 인식할 수 있다는 점에서 비슷하게 사용되지만, 압타머는 여러 독특한 장점으로 인해 항체의 매력적인 대안으로 활용되고 있다. 면역원성이 낮은 작은 분자의 경우 항체 설계에 복잡한 공정 및 비용이 발생하지만 압타머는 쉽게 제작이 가능하다는 특징이 있다. 또한 동물이나 세포 테스트를 포함하지 않고 시험관 내 공정을 통해 합성할 수 있는 편리함을 갖추고 있으며 구조적 안정성에 의해 특정 온도에서 변성이 잘 이루어지지 않아 안정적인 바이오프로브로서 활용이 가능하다. 따라서 진단, 치료, 식품위생 및 환경 모니터링 분야에서 그 역할을 공고히 하고 있다.

하지만 압타머의 잠재력에도 불구하고 압타머 생성 과정인 지수 농축 프로세스에 의한 리간드의 체계적인 진화(SELEX) 프로세스는 시간, 비용 및 노동집약적이라는 단점이 존재한다. SELEX는 사이클 형태의 공정으로 동일한 과정을 여러 단계 거쳐야 하며 각 단계에서 모니터링 과정이 필수적으로 동반된다. 기존의 모니터링 방법으로는 형광 염료, 방사성 동위원소, 효소와 같은 특정 표지자로 방출된 DNA를 표지하는 것이나 전기영동 등이 일반적으로 사용되고 있지만 이는 표적 결합 시간이 요구되거나 복잡한 표지 절차로 인해 시간 소모가 크다는 어려움을 겪는다.

이에 이택 교수(화학공학과) 연구팀은 SELEX 신속한 압타머의 제작을 위해 ACEF 기술을 도입한 전기화학적 SELEX 모니터링 기법을 적용하였고, 이를 적용하여 제작한 뎅기바이러스 바이오센서를 통해 해당 방법으로 만들어진 압타머의 성능을 입증하였다. 각 단계별 압타머 용액을 타겟 물질인 뎅기 바이러스와 결합시켜 SWV 기법을 통해 신호 변동을 확인하였으며 결합능 변화에 따른 신호 변화로 모니터링 했다. 이후 9 라운드부터 신호 변동이 일어나지 않는 것으로 확인되어, 해당 라운드를 최적의 조건으로 선정하였다. 타겟과의 결합 시간은 ACEF로 단축하였다. ACEF는 전극 표면의 용액에서 전기장을 생성하여 국부적인 온도 구배를 일으키고, 이는 유체 내의 미세 대류를 일으켜 결합 이벤트를 향상시키는 역할을 수행한다. 따라서 모니터링 단계에 소요되는 복잡한 절차를 10분 이내로 단축하였다. 이를 통해 만든 압타머는 뎅기바이러스 바이오센서에 적용하여 그 성능을 평가하였다. 해당 센서는 다른 생체 유래 물질 및 바이러스에 결합하지 않아 높은 선택성을 확인할 수 있었으며 3차 증류수 희석 용액에서 59.7 fM의 민감한 검출한계 값을 확인하였다. 이는 이전에 개발된 뎅기 바이러스 압타머의 검출한계인 76.7 fM보다 더욱 향상된 검출 능력을 보였다. 또한, 5% 인간 혈청 내에서 진행된 검출 한계는 37.0 fM으로 확인되었으며, 블라인드 테스트에서 각각 3.49, 4.33, 2.66 %의 낮은 오차율을 보이며 높은 재현성을 보였다. 따라서 따라서 본 연구팀이 제안한 신속한 SELEX 모니터링 기법은 ACEF 기술을 이용하여 개발자의 작업량을 효과적으로 줄였다. 또한, DENV 압타머를 성공적으로 제작한 제안된 플랫폼은 다양한 바이오센싱 시스템에 대한 잠재적인 적용 가능성을 나타내며 응용 및 상업 기술에서 확장될 수 있음을 증명하였다.

한편 본 연구는 한국 환경부(MOE)의 수생태계 건강 관리 프로그램을 통한 한국환경산업기술원(KEITI, 2020003030001)의 지원과 산업통상자원부(MOTIE) 산업핵심기술개발사업(20009121) 및 한국연구재단(NRF, 2021R1C1C1005583)으로 수행되어 연구 결과는 화학공학 분야의 저명한 국제 학술지인 Chemical engineering journal (IF : 13.3, JIF ranking : 96.2 %)에 ‘Establishment of the rapid electrochemical-SELEX monitoring system by using ACEF technique and its applihttps://doi.org/10.1016/j.cej.2024.154806cation to dengue virus aptasensor fabrication’ 라는 제목으로 게재되었다(참조 : https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.154806).