MEDI:GATE NEWS 카이스트, 암 조기진단 표적 마이크로RNA 다중 검출기술 개발

기사입력시간 22.07.20 22:49최종 업데이트 22.07.20 22:49

사진 = 마이크로RNA 다중 검출을 위한 다색 양자점 어레이(PQDA) 모식도 KAIST(카이스트)는 생명화학공학과 박현규 교수, 신소재공학과 정연식 교수 공동 연구팀이 암 관련 마이크로RNA를 다중 검출할 수 있는 다색 양자점(퀀텀닷) 어레이를 개발했다고 20일 밝혔다. 카이스트 신소재공학과 남태원 박사와 생명화학공학과 박연경 박사가 공동 제1저자로 참여한 이번 연구는 미국화학회(American Chemical Society)가 발행하는 국제 학술지 ACS 나노(ACS Nano)에 2022년도 6월 15일 字 온라인판에 게재됐다. (논문명: Polychromatic quantum dot array to compose a community signal ensemble for multiplexed miRNA detection) 마이크로RNA는 18~25개의 염기서열로 이루어진 짧은 RNA로, 유전자 발현을 조절해 세포 성장과 분화 등 다양한 활동을 제어한다. 마이크로RNA의 비정상적인 발현은 암을 포함한 다양한 질병과 밀접하게 연관돼 있기 때문에 차세대 바이오마커로 크게 주목을 받고 있다. 마이크로RNA를 검출하는 가장 일반적인 기존의 방법은 역전사 중합효소 연쇄반응(qRT-PCR)이지만, 이는 역전사 반응을 수반하기 때문에 정량의 정확도가 떨어지고 다중 분석이 제한된다. 다중 핵산 분석에 특화돼 개발된 마이크로 어레이 기술 또한 여전히 역전사 단계를 수반하고 있으며 민감도와 특이도에 있어서 한계가 있다. 이에 연구팀은 트랜스퍼 프린팅 기법을 활용해 초고해상도의 다색 양자점 어레이(이하 PQDA)를 제작했고, 이를 마이크로RNA를 분석하는 기술로 발전시켰다. 그 결과 연구팀은 표적 마이크로RNA를 높은 민감도와 특이도로 다중 검출하는 데 성공했다. PQDA는 표적 마이크로RNA에 상보적인 DNA프로브·양자점 복합체가 고정된 고분자 패턴으로, 이중가닥 특이적 뉴클레아제(DSN) 효소에 의해서 표적 마이크로RNA에 특이적인 양자점을 방출하도록 설계됐다. 연구팀은 방출된 양자점들의 형광 신호 앙상블을 기반으로 유방암에 관련된 세 종류의 마이크로RNA를 펨토(10-15) 몰 수준으로 검출하는 데 성공했다. 또한 혈청과 유방암세포로부터 마이크로RNA를 검출해 기술의 임상 활용도를 입증했다. PQDA는 각각 독립적인 정량화가 가능한 DNA프로브-양자점 모듈로 이뤄져 있다는 점에서 다중 분석에 적합하다. 또한 PQDA 기반 검출은 역전사 단계 없이 원상태의 마이크로RNA에서 수행하기 때문에 정확한 정량 분석이 가능하고, DSN 효소를 활용해 별도의 증폭 절차 없이 높은 감도를 달성했다. 연구팀 관계자는 "DSN 효소의 우수한 표적 식별 능력을 이용해 매우 높은 특이도로 표적 마이크로RNA를 검출했다"며 "혈액, 타액, 소변과 같은 체액에도 존재하기 때문에 액체생검(Liquid biopsy)을 위한 핵심 바이오마커로 작용할 수 있다"고 설명했다. 따라서 이번 기술은 암의 조기 진단, 치료 방향 결정, 치료 효과 모니터링 등을 위한 액체생검 기술로 널리 활용될 수 있을 것으로 전망했다. 한편 이번 연구는 한국연구재단의 기초연구사업, 글로벌프론티어사업, 중견연구자지원사업의 일환으로 수행됐다.

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카이스트, 암 조기진단 표적 마이크로RNA 다중 검출기술 개발

생명화학공학과 박현규 교수·신소재공학과 정연식 교수 공동연구팀 다색 양자점(퀀텀닷) 어레이 제작

사진 = 마이크로RNA 다중 검출을 위한 다색 양자점 어레이(PQDA) 모식도

KAIST(카이스트)는 생명화학공학과 박현규 교수, 신소재공학과 정연식 교수 공동 연구팀이 암 관련 마이크로RNA를 다중 검출할 수 있는 다색 양자점(퀀텀닷) 어레이를 개발했다고 20일 밝혔다.

카이스트 신소재공학과 남태원 박사와 생명화학공학과 박연경 박사가 공동 제1저자로 참여한 이번 연구는 미국화학회(American Chemical Society)가 발행하는 국제 학술지 ACS 나노(ACS Nano)에 2022년도 6월 15일 字 온라인판에 게재됐다. (논문명: Polychromatic quantum dot array to compose a community signal ensemble for multiplexed miRNA detection)

마이크로RNA는 18~25개의 염기서열로 이루어진 짧은 RNA로, 유전자 발현을 조절해 세포 성장과 분화 등 다양한 활동을 제어한다.

마이크로RNA의 비정상적인 발현은 암을 포함한 다양한 질병과 밀접하게 연관돼 있기 때문에 차세대 바이오마커로 크게 주목을 받고 있다.

마이크로RNA를 검출하는 가장 일반적인 기존의 방법은 역전사 중합효소 연쇄반응(qRT-PCR)이지만, 이는 역전사 반응을 수반하기 때문에 정량의 정확도가 떨어지고 다중 분석이 제한된다.

다중 핵산 분석에 특화돼 개발된 마이크로 어레이 기술 또한 여전히 역전사 단계를 수반하고 있으며 민감도와 특이도에 있어서 한계가 있다.

이에 연구팀은 트랜스퍼 프린팅 기법을 활용해 초고해상도의 다색 양자점 어레이(이하 PQDA)를 제작했고, 이를 마이크로RNA를 분석하는 기술로 발전시켰다. 그 결과 연구팀은 표적 마이크로RNA를 높은 민감도와 특이도로 다중 검출하는 데 성공했다.

PQDA는 표적 마이크로RNA에 상보적인 DNA프로브·양자점 복합체가 고정된 고분자 패턴으로, 이중가닥 특이적 뉴클레아제(DSN) 효소에 의해서 표적 마이크로RNA에 특이적인 양자점을 방출하도록 설계됐다.

연구팀은 방출된 양자점들의 형광 신호 앙상블을 기반으로 유방암에 관련된 세 종류의 마이크로RNA를 펨토(10-15) 몰 수준으로 검출하는 데 성공했다. 또한 혈청과 유방암세포로부터 마이크로RNA를 검출해 기술의 임상 활용도를 입증했다.

PQDA는 각각 독립적인 정량화가 가능한 DNA프로브-양자점 모듈로 이뤄져 있다는 점에서 다중 분석에 적합하다. 또한 PQDA 기반 검출은 역전사 단계 없이 원상태의 마이크로RNA에서 수행하기 때문에 정확한 정량 분석이 가능하고, DSN 효소를 활용해 별도의 증폭 절차 없이 높은 감도를 달성했다.

연구팀 관계자는 "DSN 효소의 우수한 표적 식별 능력을 이용해 매우 높은 특이도로 표적 마이크로RNA를 검출했다"며 "혈액, 타액, 소변과 같은 체액에도 존재하기 때문에 액체생검(Liquid biopsy)을 위한 핵심 바이오마커로 작용할 수 있다"고 설명했다.

따라서 이번 기술은 암의 조기 진단, 치료 방향 결정, 치료 효과 모니터링 등을 위한 액체생검 기술로 널리 활용될 수 있을 것으로 전망했다.

한편 이번 연구는 한국연구재단의 기초연구사업, 글로벌프론티어사업, 중견연구자지원사업의 일환으로 수행됐다.

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서민지 기자 (mjseo@medigatenews.com)

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