연구팀 소개
김세훈 박사 연구팀
연구기관/연구책임자 : 한국과학기술연구원/김세훈
- 안녕하세요. 연구팀 소개를 부탁드립니다.
- 한국과학기술연구원 분자광학/바이오광학 연구실은 1명의 책임연구원, 2명의 박사 후 연구원, 1명의 석사연구원, 5명의 박사 및 석·박사 통합과정 학생 및 5명의 석사과정 학생으로 구성되어 있습니다.
우리 연구팀은 나노입자를 기반으로 한 광학영상 프로브 개발 및 표적 특이적 약물 전달체 기술을 개발하여 질병에 대한 진단 및 치료를 동시에 달성할 수 있는 치료진단용 광학 나노입자 개발을 목표로 연구를 진행하고 있습니다. 특히 입자크기, 표면특성, 입자형태, 입자조성 등의 특성을 조절함으로써 기존의 나노입자에 비해 향상된 광기능성을 부여할 뿐 아니라 광학신호 스위칭 특성을 부여하여 특정 생체기관 및 질병부위에 대한 고감도 광학영상 및 응용기술을 연구 중입니다.
최근까지의 연구성과로는 Advanced Materials, Advanced Functional Materials, ACS Nano, Nature Communications, Biomaterials 등 바이오/재료 분야의 권위있는 국제학술지에 120 여편의 SCI 논문 출판, 60 여건의 국내/외 특허 출원 및 등록, 3건의 기술이전 실적을 달성하였습니다. - H-GUARD에서는 구체적으로 어떤 연구를 하시나요?
- 촉매매개 화학증폭 반응용 또는 선형 업컨버젼 형광 나노비드의 개발과 이에 기반한 질병진단체의 체외검출 시스템 개발에 대한 연구를 진행 중입니다. 소광 상태의 형광 분자의 발색을 유도하는 동시에 강한 신호 증폭을 나타내는 촉매 Pd-리간드 복합체를 담지하는 나노비드를 합성하고, 이를 생체물질 검출 시스템에 적용하여 저비용/고감도/신속/정확한 진단 플랫폼을 개발 중에 있습니다.
해당 기술의 개발을 통하여 ELISA 등의 기존 기술을 대체하는 상용 POCT 진단 시스템을 구축하고자 하며, 이를 위해 나노비드의 균일한 합성 및 신호 안정성 확보, 생체 시료를 이용한 진단 성능평가 등의 연구를 진행하고 있습니다. - 사업화 유망성과로 꼽히는 [촉매매개 화학증폭 나노비드 기반 진단 시스템]은 어떤 기술 인가요?
- 기존의 ELISA와 같은 생체분자 진단 기술은 HRP와 같은 효소를 사용하고, 효소와 발색분자의 반응을 통해 검체를 정량화하고 있습니다. 그러나 효소를 이용하는 기술은 주변 환경이나 반응 조건에 따라 활성이 달라질 수 있으며 보관 안정성, 소요 시간, 민감도, 비용 측면에서 한계가 있기 때문에 이를 대체하는 기술의 개발이 필요합니다.
저희 연구팀에서는 효소에 기반한 진단 시스템의 한계를 극복하기 위하여 촉매매개 화학증폭반응을 검출법에 도입하고자 하였습니다. 촉매 반응을 이용할 시 외부 환경에 크게 영향을 받지 않는 안정한 활성 및 저비용으로 대량합성이 가능하기 때문에 기존 효소 기반 검출법을 대체할 수 있습니다.
해당 기술의 구현을 위하여 본 연구팀은 Pd-리간드 복합체를 담지하는 나노비드를 합성하고, Pd-리간드 촉매에 감응하는 형광 분자 유도체를 합성하여 안정성/고민감도/저비용/신속성이 보장된 생체분자 검출 및 이의 실용화에 힘쓰고 있습니다.
또한 저희 연구팀에서는 시료로부터 발생하는 자가형광으로 인한 검출감도 저해 문제를 개선하기 위하여 선형 업컨버젼 형광을 이용한 생체물질 검출 연구를 진행하고 있습니다. 선형 업컨버젼 염료를 담지하는 나노비드를 합성하고 이를 측면유동면역분석법에 적용하여, 바이러스 항체를 검출할 수 있는 고민감도/높은 검출강도/저비용/신속성 측면유동에세이 진단키트를 개발하는데 힘쓰고 있습니다. - 그럼 연구팀에서 생각하는 해당 기술의 차별화된 경쟁력은 무엇인가요?
- 촉매매개 화학증폭 나노비드는 Pd-리간드 촉매를 다량으로 담지하여 촉매 반응을 통한 감응 분자의 형광 신호 증폭 정도가 강하기 때문에 생체분자의 민감한 검출을 가능하게 하며 반응 속도가 10분 이내로 빠르기 때문에 신속한 검출이 가능하다는 점에서 장점이 있습니다.
또한, 저장 안정성이 매우 뛰어나 상온에서 장기간 보관하여도 활성이 유지되기 때문에 생체분자 검출에 있어 장기간 동안 고신뢰도/고민감도를 가능하게 하여 향후 기술의 상용화에 있어 큰 이점을 지닙니다.
개발된 촉매 감응 형광 분자는 일반 형광 신호뿐만 아니라 선형 업컨버전 형광 신호도 낼 수 있기 때문에, 보다 장파장의 여기파장을 사용함으로써 배경 신호에 의한 간섭을 최소화할 수 있어 정량 검출에 적용 가능성이 높은 기술입니다.
촉매매개 화학증폭 나노비드는 담지하는 촉매의 종류를 다양하게 하여 촉매 반응 기작을 달리하는 다수의 검출법에 활용할 수 있는 원천기술이며, 생체분자의 검출 이외에도 다양한 분야에 응용이 가능할 것으로 기대됩니다.
▲ 촉매매개 화학증폭 나노비드를 이용한 생체분자 검출 시스템
- 자세한 설명 감사합니다. 그럼 마지막으로, 앞으로의 포부 한 말씀 부탁드립니다.
- 질병의 체외 진단을 위한 광학 프로브의 개발은 고감도/고선택적 검출 및 신속하고 간편한 현장진단 시스템 구축을 위해 매우 중요한 기술입니다. 하지만 국내 관련 기술은 선진국에 비해 매우 부족한 상황이며 검출법에 대한 다양한 연구와 제품들이 개발되어 왔지만 신뢰성, 소요 시간, 민감도, 비용 측면에서 여전히 한계를 드러내고 있어 혁신적이고 유효한 검출 기술의 개발이 필요한 상황입니다. 본 연구팀은 기존 기술의 한계를 뛰어넘는 나노입자 기반의 광학 프로브를 개발하고 질병 진단에 응용하는 연구를 지속적으로 수행함으로써 세계적 기술 실용화를 선도할 수 있도록 하겠습니다.
강태준 박사 연구팀
연구기관/연구책임자 : 한국생명공학연구원/강태준
- 안녕하세요. 연구팀 소개를 부탁드립니다.
- 본 연구팀은 한국생명공학연구원 바이오나노연구센터에 속해 있으며, 책임연구원인 강태준 박사와 2명의 박사 후 연구원(1명 해외 파견 중)과 1명의 박사과정 및 2명의 인턴 연구원으로 구성되어 있습니다. 연구팀은 다양한 바이오나노 융합기술 분야(나노물질 합성, 유전자 검출기술 개발, 면역진단기술 개발, 바이오나노 인터페이싱기술 등)에 대한 세계 정상급의 연구 결과를 얻기 위해 노력하고 있습니다.
연구팀의 모든 연구원이 바이오나노 융합기술에 대한 독립적 연구주제를 가지고 독자적 연구개발을 진행해 나가고 있으며, 타 연구기관과의 협력도 활발하게 진행하고 있습니다. 또한, 창의적 아이디어 수립을 위한 건설적 토의와 브레인스토밍을 통해 연구주제에 대한 다양한 시각을 공유하는 분위기를 만들어 나가고 있습니다. - H-GUARD에서는 구체적으로 어떤 연구를 하시나요?
- H-GUARD에서는 “헬스가드용 나노바이오 인터페이싱 원천기술 개발”을 진행하고 있습니다. 구체적으로, 바이오나노센서의 센싱 물질과 바이오리셉터를 연결하는 인터페이싱 기술을 새롭게 개발하고 있으며, 이를 통해 센서의 비특이적 결합을 최소화하여 더욱 정확하게 유해물질 검출 및 질병 진단이 가능해 질 것으로 기대합니다.
또한, 연구팀은 자체적으로 개발한 나노물질을 활용하여 바이러스, 박테리아 검출기술을 개발하는 연구도 진행하고 있으며, 사업단 내 다양한 연구팀들과의 협력을 통한 새로운 질병 진단 기술에 관한 연구도 진행하고 있습니다. - [나노바이오 인터페이싱 기술]은 어떤 기술 인가요?
- 바이오나노센서는 센서물질, 바이오리셉터, 그리고 이들을 연결하는 인터페이싱 물질로 구성되어 있습니다. 센서물질과 바이오리셉터가 센서의 성능을 크게 좌우하지만, 이들을 잘 연결하였을 경우에는 바이오나노센서의 민감도, 정확성을 더욱 향상시킬 수 있습니다.
이를 위해, 그 동안 다양한 인터페이싱 물질/기술이 개발되어 왔지만 여전히 개발되는 센서마다 최적화가 필요합니다. 예를 들어, 연구팀은 말라리아 항원 검출을 위한 미세유치칩의 표면 개질 최적화를 진행하여 말라리아 진단에 소요되는 시간을 상당히 줄이면서도 보다 민감하고 정확하게 말라리아 진단용 항원을 검출하는데 성공하였습니다.
또한, 최근에는 가장 널리 사용되는 바이오리셉터인 항체의 손쉬운 고정화가 가능한 기술을 개발하기도 하였습니다. 잘 알려진 접착성 고분자인 폴리도파민을 이용해 대부분의 물질 표면에 일정하게 항체를 고정화하는 기술을 개발하였으며, 이 기술은 앞으로 바이오나노센서의 재현성 향상에 크게 기여할 수 있을 것입니다. - 그럼 연구팀에서 생각하는 해당 기술의 차별화된 경쟁력은 무엇인가요?
- 우리 연구팀은 손쉽게 항체를 다양한 표면에 고정화하면서도 비특이적 결합을 줄이기 위한 인터페이싱 기술을 개발해왔습니다. 이를 위해, 카테콜 작용기와 양쪽성 이온 작용기를 동시에 갖는 인터페이싱 분자를 새롭게 합성하여 항체 고정화 기술에 적용해 보았습니다.
새롭게 합성된 인터페이싱 분자는 폴리도파민과 같이 다양한 표면에 코팅이 가능하므로 다양한 표면에 바이오리셉터를 도입하는데 사용될 수 있습니다. 그러면서도 양쪽성 이온 작용기를 가지고 있어서 센서물질 표면이 안티파울링한 특성을 가질 수 있도록 하여, 바이오물질 검출 과정에서 발생하는 다양한 생체분자의 비특이적 결합을 줄일 수 있습니다.
즉, 개발된 인터페이싱 분자를 이용하면 다양한 센싱물질에 바이오리셉터를 균일하게 도입할 수 있으며, 추가적인 표면 개질 과정없이도 검출 과정에서의 비특이적 결합을 줄일 수 있습니다. 현재, 다양한 바이오나노센서 시스템에 개발된 인터페이싱 분자를 적용하고 있으며, 그로 인한 센서 성능 향상 효과를 확인 중입니다.
▲ 접착성 고분자를 이용한 항체 고정화 기술
- 자세한 설명 감사합니다. 그럼 마지막으로, 앞으로의 포부 한 말씀 부탁드립니다.
- 바이오나노헬스가드 연구단이 출범한지 어느덧 8년이 지났습니다. 연구단 시작부터 함께해 오면서 어려운 일도 있었지만, 모든 연구자분들이 함께 노력하여 세계적으로 우수한 성과를 달성하였다고 생각합니다. 특히, 올해는 COVID-19 팬더믹으로 인해 연구단의 중요성이 더욱 부각되는 한해였습니다. 바이오유해물질의 조기 검출 및 진단의 중요성은 앞으로 더욱 높아질 것이 자명하므로, 이를 위한 연구개발을 위해 더욱 노력할 것이며 마지막까지 연구단의 성공적 목표 달성에 기여할 수 있기를 바랍니다.
