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연구팀 소개

이석재 연구팀

나노종합기술원/이석재

연구기관/연구책임자 : 나노종합기술원/이석재

  • 안녕하세요. 연구팀 소개를 부탁드립니다.
  • 나노종합기술원 나노바이오개발실 연구팀은 1명의 책임급, 4명의 선임급 박사연구원, 1명의 박사후 연구원과, 11명의 과제연구원, 2명의 인턴으로 총 19명으로 구성되어 있습니다. 연구실 내에서 다양한 나노바이오기술 주제분야 협력연구가 자발적으로 이루어지고 있으며 항상, 공통된 비젼, 목표를 통해 외부 연구자분들과 공동연구 개발을 통해 Resarch To Product (연구를 통해 실제 제품/시스템 레벨)을 지향하고 있습니다. 저희 연구팀은 나노인프라 특성에 맞게 나노바이오센서·칩 분야에 특화된 시설, 장비, 전문지식/인력, 공정Know-How기반의 강점을 갖추고 있으며 다양한 바이오·헬스케어 분야의 융합연구를 지향하여 국가 과학기술 발전에 기여하고자 노력하고 있습니다.

    이를 기반으로 대학·연구소에서 개발된 나노바이오센서·칩 분야의 원천기술을 공동연구를 통해 혁신 제품/서비스/기술 플랫폼을 구축하고 R&D 지원 및 사업화 지원 관련 사업을 준비하고 있습니다.
  • H-GUARD에서는 구체적으로 어떤 연구를 하시나요?
  • 헬스가드용 3D 구조체 기반 디지털 유전자 분석 플랫폼 기술 개발을 진행하고 있습니다. 유해 바이오물질의 유전자 분석을 위하여 반도체 공정 및 시설을 활용하여 미세패턴이 형성된 디바이스 준양산 기술 개발 및 최적화로 미세액적내 단일 수준의 유전자 포획된 초고속 미세액적(microdroplet)생성을 합니다. 이후 미세액적 기반의 유전자 증폭과 다중 형광 채널을 이용하여 단일 미세액적내 형광 존재의 유무와 형광 강도측정을 통하여 정성적/정량적 판독이 가능한 시스템을 개발 중에 있습니다.

    최종적으로는, 미세액적 기반의 초고속/초정밀/고민감성 구현 가능한 디바이스와 판독 모듈을 이용하여 실제 유해 바이오물질로부터 유전자의 정성적 분석과 디지털 정량 판독 기반의 질병 검지가 가능한 시스템 개발 및 실용화를 목표로 연구를 진행하고 있습니다.
  • 사업화 유망성과로 꼽히는 [3D 구조체 기반 디지털 유전자 분석 시스템]은 어떤 기술 인가요?
  • 유해 바이오물질로부터 초고감도로 단일 수준의 유전자 검출과 디지털 분석을 위해서는 초고속/고안정성의 다량의 미세액적 생성과 유전자 포획이 가능한 헬스가드 맞춤형 디바이스 개발과 미세액적내 유전자 증폭에 의한 형광 신호를 분석/판독할 수 있는 핵심 모듈과 시스템 개발이 필수적입니다.

    현재까지 선행된 연구된 분자진단의 결과들은 정성적 분석, 상대정량, 낮은 재현성과 단일 유전자의 광학 신호의 분석 등의 어려움이 있으며, 수동 조작으로 인하여 실질적인 응용 분야 확대와 실용화 가능성이 낮은 단점이 있습니다.

    기존 한계점 극복을 위하여, 우리 연구팀에서는 미세액적 내부에 단일 유전자를 포획하고 이를 증폭하여 유전자 상호간의 간섭을 최소화하고 실제 신호의 재현성/안정성/절대정량/고신뢰성이 가능한 디지털 유전자 분석 플랫폼 개발과 이의 구동이 가능한 디지털 유전자 분석 시스템의 상용화에 새로운 장을 열어가고 있습니다.
  • 그럼 연구팀에서 생각하는 해당 기술의 차별화된 경쟁력은 무엇인가요?
  • 우리 연구팀 기술의 핵심 장점은 3D 구조체 기반 디지털 유전자 분석 특화 공정 확보, 반도체 공정과 시설과 연계를 통한 고재현성/고신뢰성/고정밀성/대량 양산성 연계, 초고속 유전자 분석 플랫폼 구현, 유해바이오물질의 단일 유전자 수준 분석 기술 확보, 다채널 초고속 디지털 유전자 분석 시스템 자동화를 위한 다양한 연구개발을 통한 핵심 기술의 확보가 가능하다는 점입니다.

    또한, 맞춤형 광학 설계를 통하여 기존 유전자 증폭 및 판독 방법으로는 검지하기 힘들었던 낮은 농도 (단일 유전자수준)의 유전자 타겟 초고속/고민감도/다중 검지가 가능하다는 점입니다.

    저농도의 유해바이오 물질의 판독으로 조기 감염병 질병의 진단을 가능하게 하며, 다중 감염성 질환 분석을 통해 국가 재난적 감염성 질환 확산을 막을 수 있을 것으로 사료되며 등온 유전자 증폭(isothermal PCR) 기술과 연계하여 현장진단이 가능하며 향후 해외 기술과 경쟁 할 수 있는 자동화 시스템으로 개발로 국가 경쟁력 확보가 가능할 것으로 사료됩니다.


    특히, 연구단과 공동으로 핵심 기술 개발 및 기술이전 진행으로 초고속 미세액적 생성용 디바이스 개발, 고민감성/고재현성 광학 신호 판독 시스템 핵심 개발 및 검증으로 핵심 기술의 기술사업화 가속과 향후 전자동 시스템 연계에 큰 이점이 있습니다.

    Heavy CDR3의 다양성

    ▲ 헬스가드 맞춤형 3D 구조체 기반 디지털 유전자 분석 시스템

  • 그럼 마지막으로, 앞으로의 포부 한 말씀 부탁드립니다.
  • 현재 진행중인 코로나19와 같은 대유행 감염성 질병 포함 다양한 질병을 조기에 정확하게 진단하는 기술은 국민의 생활과 더불어 의료 산업에서 중요성과 필요성이 갈수록 더 크게 부각되고 있습니다. 새로운 검지 방법 및 장비 등이 대부분 외국의 원천 기술에 의존하고 있기 때문에, 헬스가드 연구단 사업과 더불어 우리 연구실의 기술력을 더욱 발전시킴으로써 기존의 기술들을 대체 하고, 우리의 기술이 글로벌 진단 시장에 있어서 큰 구심점이 될 수 있도록 꾸준하게 연구 개발하겠습니다.

    또한, 제가 근무하고 있는 나노종합기술원은 나노기술기반 장비 공동활용, R&D 및 사업화 지원을 통해 국내최고의 나노 인프라기관으로 성장하여 왔습니다. 앞으로도 4차 산업혁명 도래에 따른 나노바이오센서 및 메디컬 디바이스가 헬스케어에 중요한 시점을 맞이하여 향후 헬스케어에 특화된 시설과 장비를 구축하고 이를 활용하여 산·학·연에 연구지원 서비스를 위해 책임과 역할을 다하는 연구실이 되도록 노력하겠습니다.


박현규 연구팀

나노종합기술원/이석재

연구기관/연구책임자 : 한국과학기술원/박현규

  • 안녕하세요. 연구팀 소개를 부탁드립니다.
  • 우리 연구팀은 1명의 연구교수, 11명의 박사과정 학생과 1명의 석-박사 통합과정 및 4명의 석사과정 학생으로 구성되어 있습니다. 연구실 내에서는 핵산공학 및 바이오센서 분야 (특히, 등온 증폭 기술, 압타머 기반 바이오센서, 통합형 lab-on-a-disc 플랫폼 개발 등)에 대한 연구원들 간의 다양한 협업 및 공동연구를 통해 세계 최정상급의 기술을 개발하기 위해 연구에 매진하고 있습니다.

    분야별 서브 그룹 간의 자유로운 아이디어 공유 및 건설적 비판을 통해, 바이오센서 기술 개발에 대한 다양한 시각을 공유하는 분위기를 만들고 있습니다.
  • H-GUARD에서는 구체적으로 어떤 연구를 하시나요?
  • On-site 보급형 분자진단 플랫폼 개발을 진행하고 있습니다. 일정한 온도 조건에서 신속하고 간편하게 표적 핵산을 증폭할 수 있는 신개념 등온 핵산 증폭 원천 기술을 개발하고, 이를 lab-on-a-disc 시스템에 접목하여, 샘플 투입 후 복잡한 조작 과정 없이 전처리부터 결과 분석까지 가능한 핵산 증폭 기술 기반 현장형 sample-to-answer 플랫폼을 개발 중에 있습니다.

    최종적으로는, 시제품 개발과 더불어 실제 임상 샘플 검출 성능 확보를 통한 ‘On-site 보급형 분자진단 플랫폼’의 실질적 실용화를 목표로 연구를 진행하고 있습니다.
  • 사업화 유망성과로 꼽히는 [On-site 보급형 분자진단 플랫폼]은 어떤 기술 인가요?
  • 최근 해외 유입 바이러스에 의한 피해 (COVID-19, SARS, MERS, 및 AI 등)가 빈번히 발생하고 있으며, 이에 대한 즉각적 대응 및 방역체계 구축이 요구되고 있습니다. 따라서, 빠르고 정확한 초기대응을 위해 체외시료 내 미량으로 존재하는 바이러스의 정확한 검출 및 분석을 위한 고감도 분자진단 기술의 개발은 필수적입니다.

    그러나, 기존의 유전자 진단 방법들은 고가의 분석 장치 및 숙련된 기술이 필요하여 현장에서 신속하게 수행할 수 없다는 단점이 있어 실질적인 응용 가능성을 충족시키지 못해 왔던 것이 현실입니다.

    상기 문제점들을 해결하기 위해서는 소형화된 sample-to-answer 플랫폼의 도입을 통한 현장진단의 편의성을 확보하는 것이 필수적이며, 이를 바탕으로 일반 사용자들 또한 손쉽게 현장에서 질병 감염 여부에 대한 신속한 자가 진단을 수행할 수 있을 것으로 기대합니다.

    이러한 현장진단 시스템의 구현 및 상용화를 위해서는 간편한 현장진단을 위한 요소 기술들의 개발이 선행되어야 하며, 본 연구팀이 개발한 등온 핵산 증폭 기술은 신개념 현장응답형 분자진단 시스템 개발에 있어 새로운 모델을 제시하고 있습니다.
  • 그럼 연구팀에서 생각하는 해당 기술의 차별화된 경쟁력은 무엇인가요?
  • 본 연구팀은 절단효소 및 DNA 중합효소의 연쇄 반응과 T7 RNA 중합효소 반응을 융합함으로써, 높은 증폭 효율을 기반으로 신속하고 민감하게 표적 RNA의 검출이 가능한 신개념 등온 핵산 증폭 반응 (Nicking/Extension chain reaction System-Based isothermal nucleic acid Amplification (NESBA))을 구현했습니다.

    기존 기술과의 검출 성능 비교 결과, 본 기술은 종래의 RNA 등온 핵산 증폭 기술 (Nucleic Acid Sequence-Based Amplification (NASBA)) 대비 높은 핵산 증폭 효율을 보이는 것을 확인하였습니다. 또한, 현재 글로벌 분자진단 시장에서 가장 우수한 검출 성능을 보이는 ID NOW社의 등온 핵산 증폭 기술 (Nicking Enzyme Amplification Reaction (NEAR))과 필적할 만한 검출 성능을 확보하였으며, 이러한 성과를 근거로 최근 ㈜바이오메디쿠스와 통상실시권 기술 이전을 체결했습니다. (5,000 만원, 2019.4.10.)

    이후, 본 신개념 등온 핵산 증폭 기술을 lab-on-a-disc 시스템에 접목시킴으로써, 시료의 전처리부터 핵산의 증폭 및 검출까지 전 과정이 통합된 현장진단 시스템을 개발할 예정입니다.

    Heavy CDR3의 다양성

    ▲ 신개념 등온 핵산 증폭 기술>

  • 자세한 설명 감사합니다. 그럼 마지막으로, 앞으로의 포부 한 말씀 부탁드립니다.
  • 본 연구를 통해 개발될 현장응답형 분자진단 시스템은, 그동안 검진을 위해 대형 병원 및 전문 진단 센터를 이용함으로써 발생되었던 시간적/물질적 비용을 획기적으로 절감할 뿐만 아니라, 신속하고 정확한 검출을 통해 글로벌 진단 시장에서의 실용화 효율을 극대화할 수 있을 것으로 생각됩니다. 이는 경제 성장뿐 아니라 생명공학 분야의 새로운 도약을 도모하는 촉진제가 될 수 있을 것으로 생각됩니다.

    특히, 국내 진단 시장에서는 경쟁력 있는 표적 핵산 검출 원천 기술이 개발된 사례가 없어, 본 연구 기반의 현장진단 제품의 국산화를 통해 향후 글로벌 시대의 사회적 안전망 구축을 가능하게 하여 국민 건강과 행복에 기여할 수 있기를 희망합니다.
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