공기 중 바이러스, 더 빠르고 정확하게 진단한다

장재성 교수팀, ‘전기식 바이러스 농축기+종이 면역 센서’시스템 개발 

A형 독감 우수한 검출능력 보여·코로나 바이러스에도 적용가능

UNIST 장재성 교수[교신저자]

코로나 바이러스나 독감 바이러스 같이 공기 중에 떠다니는 바이러스의 양을 측정하는 기술이 개발됐다. 바이러스 양을 정확하고 빠르게 알 수 있어 방역과 같은 의료 및 공공안전에 분야에 큰 도움이 될 것으로 기대된다.

UNIST(울산과학기술원) 기계공학과의 장재성 교수팀은 전기적 힘(전기장)을 이용해 공기 중 바이러스를 농축할 수 있는 장치와 농축된 바이러스의 양을 신속히 측정할 수 있는 ‘종이 센서 키트’로 구성된 바이러스 검출 시스템을 개발했다. 비말뿐 아니라 1미크론(㎛, 1㎛는 100만 분의 1m) 미만의 작은 바이러스 입자도 효과적으로 채집할 수 있고, 바이러스를 훼손시키지 않는 방식이라 측정 정확도가 높다. 또 즉각적으로 반응하는 면역센서를 이용해 채집된 바이러스를 검사하기 때문에 진단 속도도 빠르다.

공기 중 바이러스를 빠르고 정확하게 진단하려면 바이러스가 포함된 채 떠다니는 입자(비말 등)를 잘 잡아내는 채집기와 채집된 바이러스를 빠르게 검출할 수 있는 센서가 필요하다. 하지만 공기 중 바이러스를 채집하는 기존 방식은 ‘진공 청소기’와 유사한 방식이라 채집 가능한 입자 크기에 한계가 있고 채집 과정에서 바이러스가 손상된다. 또 바이러스를 검사하는 중합효소연쇄반응 검사(PCR)의 경우 검사 시간이 오래 걸리는 문제가 있다.

장재성 교수팀은 정전기력을 이용해 공기 중 바이러스를 효율적으로 채집하고, 면역 반응(항원-항체 반응)을 통해 이를 빠르게 검사 할 수 있는 시스템을 개발했다. 이 방식은 10㎛이상의 크기부터 1㎛ 미만의 작은 입자도 효과적으로 채집할 수 있다. 또 채집과정에서 입자가 용액에 부딪혔을 때 충격이 적다. 덕분에 살아있는 바이러스를 더 많이 채집할 수 있어 검사의 신뢰성을 높일 수 있다. 채집된 샘플은 가볍고 저렴한 ‘종이 면역 센서’를 이용해 검사한다. 임신 진단 키트 처럼 신속하게 바이러스를 검출 하고, 그 정확도는 유전자 증폭 검사(qPCR) 수준에 이른다.

장재성 교수는 “입자를 가속시킨 뒤 고체 배지나 액체에 충돌시켜 바이러스를 채집하는 ‘관성 충돌 방식’은 0.03~0.1㎛의 미세한 입자는 10%도 못 잡지만, 이번에 개발된 방식은 1㎛ 미만의 입자도 99%이상 잡아 낼 수 있다”고 설명했다.

바이러스 검출 방법별 성능 비교

개발된 바이러스 감지 시스템의 구조와 실험 모식도

바이러스 채집 방법별 바이러스 농도

연구팀은 개발한 시스템을 이용해 A형 독감 바이러스(A H1N1)를 측정하는 실험을 진행했다. 바이러스 채집 효율은 상용화된 시스템보다 높고, 바이러스 핵 단백질의 항원-항체 반응을 이용하는 센서의 정확도도 qPCR수준으로 정확했다. 센서의 최소측정 가능농도 (minimum detectable virus concentration)도 낮아, 독감 유행기에 존재하는 공기 중 미량의 바이러스도 잡아낸다.

장재성 교수는 “이번 연구는 비록 신종인플루엔자 바이러스 (H1N1)에 대해서만 이루어졌지만, 비슷한 크기와 구조, 똑같이 외피를 가진 코로나바이러스에 대해서도 사용 가능하다”고 설명했다. 그는 이어 “현재 더 많은 공기를 뽑아들 일 수 있는 농축 장치에 관한 연구가 진행 중이라고” 전했다.

이번 연구는 환경공학 분야의 세계적인 저널 ‘환경과학기술’(Environmental Science & Technology) 8월 24일자로 온라인 게재됐다. 연구수행은 한국연구재단(NRF)과 과학기술정보통신부의 지원을 받아 이뤄졌다. 논문명은 Rapid Airborne Influenza Virus Quantification using an Antibody-based Electrochemical Paper Sensor and Electrostatic이다.

UNIST 홍보실 제공