연구팀 소개
김민곤 교수 연구팀
연구기관/연구책임자 : 광주과학기술원/김민곤
- 안녕하세요. 연구팀 소개를 부탁드립니다.
- 저희 BSBP (Biosensors & Biophotonics) 연구팀은 5명의 박사 후 연구원과 4명의 박사과정 학생 및 2명의 석사과정 학생으로 구성되어 있습니다. 연구원들과 학생들은 각자 고유한 플랫폼과 실험 대상을 가지고 연구를 진행하고 있으며, 유기적으로 특기를 살려 서로의 연구에 조언하거나 보조하면서 발전해 나가는 협동적인 분위기를 가지고 있습니다. 또한 개발된 연구결과물을 상용화 하기 위해 6명의 연구원으로 구성된 (주)지엠디바이오텍을 설립하였습니다.
- BSBP팀에서는 구체적으로 어떤 연구를 하시나요?
- LFA (lateral flow assay) 기반의 고감도 면역센서와 페이퍼칩 기반의 올인원 분자진단센서를 개발하고 있습니다.
LFA 센서는 대량생산성이 용이하고 빠른 시간에 면역분석이 가능하여 현재 많은 기업들이 사용하는 기술입니다. LFA 센서가 많은 장점이 있지만, 측정감도와 정량성이 떨어지는 것이 문제입니다. 본 연구팀은 자동신호증폭이 가능한 LFA 플랫폼 기술을 개발을 높은 측정감도와 정량성을 요구하는 바이오마커에 적용하고 있습니다.
또한 LFA 센서에 사용되는 페이퍼칩기술을 분자진단에 적용하여 시료주입 후 핵산농축, 유전자증폭, 신호측정과 같은 분자진단 과정을 자동으로 수행하는 올인원 분자진단칩을 개발하고 있습니다.
▲ <그림> 모기매개 3종 바이러스 현장진단용 올인원 분자진단 랩온페이퍼 구조와 이를 이용한 혈액내 지카, 뎅기, 치쿤구니아 바이러스의 동시 분석 예(Biosensors and Bioelectronics 165, 112400)
- 사업화 유망성과로 꼽히는 [초고민감도 면역센서]는 어떤 기술 인가요?
- 기존 LFA 센서에 자동신호증폭 페이퍼칩 부품을 추가하는 것입니다. 수팽창성 고분자를 활용한 자동신호증폭 페이퍼칩은 초기에는 LFA 센서와 분리되어 있다가, 초기 주입한 용액에 의해 팽창하여 LFA 센서 표면에 닿도록 하는 원리입니다.
이를 통해 샘플주입과 신호증폭용액을 동시에 떨어뜨리면, 샌드위치 면역반응 후, 10분 후에 신호증폭용액이 흘러갑니다. 아래 그림은 COVID-19 항원 분석때 신호증폭 전과 신호증폭 후를 비교한 것입니다. 현재 이 기술은 임상계획에 있으며 곧 제품으로 나올 것으로 기대하고 있습니다.
▲ <그림> 자동신호증폭 LFA 원리와 COVI-19 바이러스 항원의 초고감도 분석 예
또한 개발된 면역센서 플랫폼을 기반으로 급성심근경색 신속진단을 위한 hs-troponin, 전립선암 진단을 위한 당화 PSA, 타액 코티솔 등을 타겟으로 정량성과 측정감도를 동시 만족하는 면역센서를 개발 중에 있습니다. - 그럼 연구팀에서 생각하는 해당 기술의 차별화된 경쟁력은 무엇인가요?
- 저희 팀은 진단센서로서 많은 장점(대량생산성, 가격, 육안판별, 무동력 분석 등)을 가진 페이퍼칩을 기반으로 하여, 단점을 보완해 나가는 것을 주 연구로 하고 있습니다. 측정감도와 정량성은 이미 많이 극복한 상태이며, 현재는 페이퍼칩 패터닝 기술을 이용하여 다중 분석능도 높여가고 있습니다.
올인원 분자진단 페이퍼칩 분야에서도 최근 많은 진전이 있으며, 본 기술이 완성된다면 LFA 임신진단킷과 유사한 형태의 분자진단 킷 상용화가 가능할 것으로 기대하고 있습니다. - 자세한 설명 감사합니다. 그럼 마지막으로, 앞으로의 포부 한 말씀 부탁드립니다.
- 코로나 19가 전세계적으로 유행하면서, 앞으로 언제든지 세계를 강타할 감염병이 출현할 가능성이 있음을 느끼고 있습니다. 현재는 정확한 진단을 위해 PCR 검사로만 확진을 판단하고 있어 현장에서 즉시 결과를 확인할 수 없기에 재빠른 대처가 힘든 상황입니다. 하지만 누구나 사용할 수 있고, 20분 내외로 결과를 확인할 수 있고, PCR 검사와 동등한 수준으로 정확성을 보이는 초고감도 면역센서가 빠르게 개발되어 보급된다면 한 발자국 더 빠른 대처가 가능해질 것입니다.
이 뿐만 아니라, 확장 게이트 기반 GFET 나노바이오센서의 성공적인 개발로 개인의 건강 모니터링을 비롯해서 호흡기 감염병에 대한 현장 다중진단의 길을 열어 100세 건강 장수의 염원을 이루는데 일조할 수 있도록 연구개발에 열심을 다하도록 하겠습니다.
정용원 교수 연구팀
연구기관/연구책임자 : KAIST/정용원
- 안녕하세요. 연구팀 소개를 부탁드립니다.
- 우리 연구팀은 2명의 박사 후 연구원과 9명의 석-박사 통합과정 학생으로 구성되어 있습니다. 연구실 내에서 다양한 단백질공학기술 분야, 특히 다수의 단백질들이 조립되어 형성되는 구조체에 대한 연구를 수행하고 있고, 이를 이용하여 실제 생체시스템에서 이루어지고 있는 단백질 조립에 대한 이해를 높이고 이를 활용하여 바이오센서 등의 분야적용을 위한 원천기술들을 개발하고 있습니다.
인공 단백질 조립체를 활용하여 단백질 다중결합, 생체분자 전달, 단백질 상분리 등에 적용하는 세 개의 서브 그룹으로 연구를 수행하고 있으며, 기존에 존재하지 않았던 새로운 구조와 특성을 가지는 거대 단백질 구조체들을 개발하기 위하여 노력하고 있습니다. - H-GUARD에서는 구체적으로 어떤 연구를 하시나요?
- Nano-space 조절 및 다중결합을 이용한 고특이성/결합력 다가 리셉터 개발을 하고 있습니다. 기존 리셉터의 한계를 극복하고 생체유해물질의 고 민감도/특이도 검지를 달성하기 위하여, 다수 리셉터의 collective 결합을 적용할 수 있는 생체분자 초분자체를 개발하고, 나노구조체에서의 다중 결합의 공간적인 조절을 통해 유해물질에 대한 특이성, 결합력, 안정성이 극대화된 새로운 다가 리셉터 원천기술을 확보 하고자합니다.
최종적으로는, H-GUARD 사업단에서 개발되고 있는 결합 항체에 다중성을 부여하여 다양한 H-GUARD POCT 시스템의 검지능을 향상 시키고 이를 실용화하는 목표로 연구를 진행하고 있습니다. - 리셉터의 검지능 향상을 기대하게 하는 [다가 리셉터]는 어떤 기술 인가요?
- 다양한 환경에서 극미량으로 존재하는 유해물질의 신속하고 정확하게 검출을 위해서는 혁신적인 검지 디바이스, 검지 방법 등의 개발이 필요하며, 이와 함께 극미량의 유해물질을 인지하고 결합하여 검지시스템에 적용하는 인지 리셉터가 필요합니다.
대표적인 결합 리셉터로 항체가 널리 이용되고 있으나, 정형화된 구조만을 가지고 있고 항원에 따른 결합력의 다양성에 한계를 가지고 있습니다. 이에 비약적으로 높은 결합력, 특이성, 안정성을 가지는 신개념 유해물질 인지 리셉터의 개발은 초고속, 초고감도 유해물질 모니터링 시스템 개발 가능성을 극대화 할 수 있을 것입니다.
우리 연구팀에서는 항체 항원 결합과 같은 단일 단백질 간의 결합에서 벗어나, 생체분자간의 다중결합을 가능하게 할 수 있는 거대 생체분자 초분자체(supramoleucle)을 개발하여 기존 결합력의 한계를 극복할 수 있는 새로운 리셉터(다가 리셉터)를 개발 제시 하고자 합니다. - 그럼 연구팀에서 생각하는 해당 기술의 차별화된 경쟁력은 무엇인가요?
- 우리 연구팀 기술의 가장 큰 장점은 원하는 개수의 단백질을 안정하게 조립하고 이들의 구조적 분석이 가능하며, 또한 이러한 조립체에 추가적으로 단일 결합 리셉트를 부착하여 결합수가 정밀하게 조절되는 다가 리셉터의 제작 및 검증이 가능하다는 점입니다.
또한, 단백질 조립체의 정밀한 구조 조절을 통해 단일 결합체 간의 간격 및 배향을 조절하고, 이와 함께 바이러스나 세균 표면의 항원의 공간적 나열을 효율적으로 인지 할 수 있는 나노공간 조절 능력을 부여할 수 있습니다.
우리 연구팀의 또 다른 전문성으로 나노 구조체 등의 표면에서 단백질 중합 및 배향의 조절입니다. 특히 새로운 구조를 가지는 거대 다가 리셉터들을 원하는 개수와 배향으로 표면에 고정화하는 인터페이싱 기술은 이들 리셉터의 다양한 센서 시스템으로의 적용에 필수적인 기술입니다.
다중 결합이 가능한 리셉터를 활용하여 검지능을 향상시킨 예로, 다중결합을 이용하여 작은 마이크로 RNA에 대한 기존 단일 리셉터의 detection limit을 비약적으로 향상 시켰습니다. 리셉터의 결합수 증가에 따라 타겟 RNA에 대한 결합력이 크게 증가하였을 뿐 아니라, 비특이적 결합에 대한 결합력은 억제가 가능함을 관찰하여 민감도뿐 아니라 특이성의 향상도 가능함을 보여주었습니다.
▲ 다가 리셉터 적용에 따른 마이크로 RNA 검지능 향상
- 자세한 설명 감사합니다. 그럼 마지막으로, 앞으로의 포부 한 말씀 부탁드립니다.
- 다양한 질병에 대한 조기 진단에 대한 지속적 요구와 함께, 많은 연구자들이 새로운 검지방법을 개발하고 있습니다. 특히 H-GUARD에 참여하고 계시는 연구팀들을 통해 다양한 검지 디바이스, 신호전달 전략, 신규 리셉터 등의 개발과 함께 더욱더 민감하고 빠른 센서 시스템들을 개발되어지고 있습니다. 이에 본 연구팀도 기존의 센서 구성 요소를 대체하여 그 기능을 더욱더 향상 시킬 수 있는 새로운 리셉터 모듈을 제시하고자 합니다.
특히, 현재 COVID-19 사태와 같이 바이러스와 같은 새로운 유해물질의 지속적 발생이 예상되고, 이에 따라 이들을 타겟팅 하는 리셉터들도 발굴되리라 생각합니다. 본 연구팀은 발굴되는 리셉터들에 대해 결합력과 특이성을 손쉽고 신뢰성 있게 향상시킬 수 있는 다가 리셉터로의 전환을 범용적으로 가능하게 하는 기술을 개발하고, 이들 다가 리셉터들을 적용 할 수 있는 센서 시스템을 확장하고자 합니다.
