광유체 집적모듈 개발, 장비·부품 국산화로 생산비용 절반저렴

ETRI, 코로나·암 검사, 현장 정밀진단, 신약개발 등에 활용 가능

국내 연구진이 차세대 유전자 진단 기술로 주목받고 있는 디지털 유전자증폭(PCR) 검사 장비 부품의 국산화에 성공했다. 검사 장비의 신속한 현장 보급을 촉진해 코로나, 메르스와 같은 고위험 감염병으로부터 국민을 보다 안전하게 보호할 수 있을 전망이다.

한국전자통신연구원(ETRI)은 디지털 PCR 검사 장비에 사용되는 물방울 형광 리더기 핵심 기술을 개발했다고 밝혔다. 본 기술은 시장에 출시된 디지털 PCR 분자 진단기기의 기존 부품을 대체할 수 있어 곧바로 상용화가 가능하다.

연구진은 광섬유를 활용하여 렌즈, 광학필터와 같은 고가의 광학부품을 대체해 부품 가격을 절반 수준으로 대폭 절감했다. 측정·검출 단계에서의 신호품질을 개선하여 PCR 검사의 정확도도 높였다.

연구진은 그간 수입에 의존하던 디지털 PCR 검사 장비의 핵심 부품을 국산화함으로써 PCR 장비의 기술 경쟁력을 높이고 현장 보급도 빨라질 전망이다.

일반적인 PCR 검사 장비는 약 20㎕(마이크로리터)의 시료를 한 번에 유전자 증폭하여 분자진단에 활용한다. 그러나 시료의 유전자 농도가 너무 낮은 경우, 유전자를 증폭시켜도 양성 기준치에 도달하지 못하기 때문에 가짜음성이라는 잘못된 결과를 도출할 수 있다.

ETRI의 디지털 PCR 검사 장비는 시료를 2nl(나노리터)의 미세 물방울로 2만 개를 만들어 유전자 증폭 과정을 거친다. 유전자가 증폭된 물방울에 레이저를 조사해 형광측정 방식으로 검출해내기 때문에 유전자 농도가 낮아도 일반적인 PCR 검사 장비보다 훨씬 정밀하게 진단 결과를 도출할 수 있다.

디지털 PCR 검사 장비는 물방울 생성기, 온도 제어장치 및 물방울 형광 리더기로 구성되어 하나의 장비로 유전자 분할·증폭·검출이 가능하다.

ETRI가 개발한 물방울 형광 리더기에는 물방울이 이동하는 유체 채널과 형광측정에 필요한 부품을 일체화한 광유체 집적 모듈이 적용되었다. 광섬유 기반의 새로운 모듈 개발로 기존의 비싼 광학필터와 렌즈 등을 대체했다. [참고 1]

집적 모듈을 활용하면서 신호품질 개선 및 생산 시간 절감효과까지 더했다. 부품을 줄이면서 복잡한 배치 설계를 안정적으로 변경했고 빛의 간섭으로 발생하는 신호의 잡음 문제를 해결했다. 기존의 수동 광학정렬 공정도 자동화해 제조 시간을 단축했다.

이 부품 개발을 통한 장비 소형화로 차세대 진단 바이오칩인 ‘랩온어칩(Lab on a Chip)’구현에 대한 기대감도 높아졌다. 하나의 칩에서 시료 처리, 가공, 측정이 모두 가능해 진단검사, 신약개발 등이 훨씬 빨라질 전망이다.

ETRI는 수년간 마이크로 광학 기술과 유체 역학 기술의 풍부한 연구개발 경험을 쌓아 오고, 의료 검사 장비를 개발하는 중소기업과의 협력을 통해 시장과 기업이 절실히 요구하는 기술력을 축적하면서 본 성과를 낼 수 있었다고 밝혔다.

ETRI 진단치료기연구실 김진태 책임연구원은“본 기술이 기존 디지털 PCR 검사 장비에 적용되면 코로나, 메르스와 같은 감염병 검사를 현장에서 보다 정밀하고 빠르게 진행하여 감염병 확산을 초기에 제어할 수 있고 다양한 바이오센서 검사 장비에 응용이 가능해 시장 활성화 및 고용 증대 효과가 매우 클 것으로 예상된다.”고 말했다.

향후 연구진은 디지털 PCR 검사 장비 개발 업체와의 협업을 통해 현장에서 용이하게 사용할 수 있는 보급형 디지털 PCR 장비를 개발하여 시장에 출시할 예정이다. 또한, 의료기관과의 협력을 통해 검사 장비 고도화 및 유전자 관련 정밀진단 장비를 추가적으로 개발할 계획이다.

이 연구는 ETRI“R&D 성과활용 및 신사업 촉진 지원사업”의 일환으로 진행되었으며, (주)바이오티엔에스가 공동연구기관으로 참여하였다.

ETRI 홍보실 제공