연구팀 소개

정대균 박사 연구팀

연구기관/연구책임자 : 한국생명공학연구원/정대균

안녕하세요. 연구팀 소개를 부탁드립니다.
본 연구팀은 한국생명공학연구원, 고려대학교 및 전북대학교 인수공통전염병연구소로 연구팀이 구성되어 있으며, 연구책임자와 PI급 연구진과 학생연구원을 포함한 총 20명의 연구진이 긴밀한 협력연구를 수행하고 있습니다.

본 연구팀에서는 감염성 병원체 검출을 위한 신·변종 병원체에 대한 컨텐츠 선점과 이를 활용한 유용마커 개발 연구를 진행하고 있습니다. 특히,“원헬스 (사람-환경-동물) 기반의 신·변종 바이러스 컨텐츠 선점을 통한 원천성 확보, 신·변종 바이러스 진단 마커 개발”의 바이러스 연구와“슈퍼박테라이 결정인자 개발”의 다양한 신변종 감염병 대응을 위한 연구를 진행하고 있습니다.
H-GUARD에서는 구체적으로 어떤 연구를 하시나요?
본 연구팀은 H-Guard 연구단에서 개발하고 있는 신·변종 바이러스 검출 시스템 (H-GUARD briefcase)에서 신·변종 바이러스와 슈퍼박테리아에 대한 신속하고 정확한 진단을 할 수 있는 원천기술 확보와 이를 통해 신규성과 진보성을 확보할 수 있는 분자진단마커 개발 연구들을 진행하고 있습니다.

H-Guard 연구단에서 개발 무인-상시 모니터링 시스템 H-GUARD briefcase의 유효성 검증을 위한 다양한 유용자원을 확보하고 있습니다. 해마다 원헬스 (사람-환경-동물) 관련 다양한 시료 분석으로 바이러스 분리주, 핵산 및 단백질 등의 유용자원 확보 및 이를 분석하여 새로운 진단마커 개발에 활용하고 있습니다. 또한, 확보된 다양한 유용자원은 H-Guard 연구단 내 타 세부와의 공유를 통해 H-Guard 연구단 공동의 목표 달성에 활용되고 있습니다.

▲ 2-4 세부의 과제 개요
사업화 유망성과로 꼽히는 [신변종 감염성 병원체 분자진단을 위한 유용마커]은 어떤 기술 인가요?
본 연구팀은 신·변종 감염병의 다중분자진단 마커개발을 중점적으로 수행하고 있습니다. 기존의 consensus primer 기반의 분자진단법을 개선하여 민감도와 특이도가 높고 소량의 시료로 다양한 병원체의 유용한 정보를 획득할 수 있는 실시간 다중분자진단 기법을 개발하고 있습니다.

다양한 신·변종 감염병을 신속하고 정확하게 진단을 위해 원헬스 (사람-환경-동물) 관련 다양한 시료를 확보하고 유전체 특성분석 및 유용한 자원 확보가 필수적입니다. 이러한 이유로 다양한 신·변종 바이러스 선제적 탐색을 위한 감시 연구도 수행하고 있습니다.

▲ 원헬스 기반 다양한 임상시료 확보 및 특성 분석

▲ 신·변종 바이러스 다중분자진단 기법 개발
그럼 연구팀에서 생각하는 해당 기술의 차별화된 경쟁력은 무엇인가요?
본 연구팀은 신·변종 바이러스 및 항생제 내성 유전자원 원천성 선점에 따른 PCR기반의 분자진단마커 개발을 진행하게 되면 향후 H-GUARD 사업단의 자동화 시스템 및 Digital PCR 기법으로의 적용 수월성을 확보가 가능한 기술입니다.

신·변종 바이러스 컨텐츠 선점을 통해 얻어진 유전자원을 기반으로 H-Guard 연구단 Briefcase 적용을 위해 다양한 바이러스 다중분자진단법을 개발하고 있으며 기존의 conventional 분자진단법 기준 50 TCID50/ml 검출한계 (50-100 DNA copies/ml)를 극복하여 사업단 고유 신·변종 바이러스 자원 기반 또는 임상적용을 위한 신속성과 편리성 등을 감안하여 신규성과 진보성을 확보할 수 있는 진단마커 개발 기술입니다.

항생제 내성 유전자와 세균 특이 병원성 유전자를 이용한 항생제 내성 병원성 유전자를 진단하는 기술로 기존 선행기술과의 차이점은 항생제 내성 여부만 진단하는 것이 아니라, 병원성 유전자를 진단함으로써 원인이 되는 병원성 세균의 진단과 항생제 내성 여부를 PCR 기반으로 진단함으로써 신속 정확하게 환자 치료에 이용할 수 있는 기술입니다.
자세한 설명 감사합니다. 그럼 마지막으로, 앞으로의 포부 한 말씀 부탁드립니다.
최근의 감염병 발생의 특성은 특정 지역에 국한되지 않고 감염확산속도가 빨라서 사회적 혼란 및 국가적 재난으로 확대될 우려되고 있으며, 항생제 오남용에 의한 항생제 내성 슈퍼박테리아 이슈는 사회적 불안의 큰 요인이 되고 있습니다.

그래서, 신·변종 바이러스 감염 차단을 위한 분자진단기술 개발과 항생제 내성 슈퍼박테리아 결정인자 개발을 위해 더욱 적극적인 유용항원 확보를 통한 진단기법 원천기술 확보를 통해 H-GUARD 사업단의 목표인 무인감시시스템 및 briefcase에 적극적으로 활용될 수 있도록 노력하겠습니다.

박성수 교수 연구팀

연구기관/연구책임자 : 성균관대학교/박성수

안녕하세요. 연구팀 소개를 부탁드립니다.
우리 연구팀은 5명의 박사 수료생과 2명의 박사과정, 8명의 석-박사 통합과정 및 2명의 석사과정 학생으로 구성되어 있습니다. 연구실 내에는 다양한 바이오 기술 분야 (미세 유체칩 기반 병원체 농축-핵산추출 시스템, 항암제 내성유도칩, 세포인장기, 내분비시스템 온어칩, 바이오프린팅)에 대한 연구를 하고 있습니다. 국내 및 해외 대학과 연구기관 그리고 병원과의 공동연구를 통해 최정상급의 결과를 내고 최고 기술을 개발하기 위해 연구에 매진하고 있습니다. 꾸준한 해외 파견을 통해 학생들에게 다양한 연구기회와 경험을 제공합니다. 또한 상용화 가능성이 있는 연구 주제에 대한 학생 창업지원을 통해 다양한 기회를 제공합니다.

우리 연구팀은 기계생물, 바이오프린팅, 종이 기반 미세유체 칩, 미세유체 칩 기반 분자진단 전처리 시스템, 장기온어 칩으로 총 5개의 그룹으로 구성됩니다. 교수님과 5개의 연구그룹 간 꾸준한 커뮤니케이션을 통하여 연구방향을 제시하고 목표를 달성하고 있습니다.
H-GUARD에서는 구체적으로 어떤 연구를 하시나요?
혈액 내 패혈증 원인균의 분자진단 검출 민감도 향상을 위한 농축 및 DNA 정제 미세유체 칩 및 칩 기반의 자동화 시스템을 개발합니다. 병원균 분자진단 검출을 위해서는 환자의 혈액으로부터 병원균의 DNA를 정제하는 전처리 과정이 필수적입니다. 기존 전처리 키트의 경우, 병원균을 혈액으로부터 따로 분리, 농축할 수 없어 정제 후 인체 DNA 및 용해된 혈액성분들이 남아있게 됩니다. 남아있는 성분들이 분자진단을 방해하여 병원균 검출에 어려움이 있습니다. 이를 혈액 내 여러 종류의 병원균을 자성나노입자 기반으로 동시에 농축하여 병원균의 DNA만 정제할 수 있는 미세유체 칩과 칩 기반의 자동화 시스템을 개발하고 있습니다.

최종적으로 본 전처리 시스템을 통해 임상시료에서의 병원균 분자진단 검출민감도를 향상시켜, 기존 진단에서 문제가 되었던 위음성 발생빈도를 낮추고, 기존 복잡한 전처리 과정의 단순화와 자동화 된 시스템 상용화를 목표로 연구를 진행하고 있습니다.
최근 코로나 사태로 중합효소연쇄반응(PCR)의 민감도에 대한 관심이 많은데, 민감도를 향상시킬 수 있는 기술이 있나요?
바이러스도 병원균과 마찬가지로 분자진단기반의 검출민감도를 향상시키기 위해서는, 환자검체(비인두흡인물, 객담)로부터 바이러스 RNA 정제를 하는 전처리 과정의 성능이 매우 중요합니다. 저희 연구팀에서는 세균 뿐 아니라 여러종의 바이러스를 농축할 수 있는 기술을 보유하고 있으며, 인플루엔자 H1N1 virus를 농축하고 RNA를 정제하는 미세유체 칩에 대해 2020년 Sensors 저널에 논문을 게재한 바 있습니다.

그러나, 현재 상용 전처리 키트의 경우, 환자검체에서 바이러스를 따로 분리할 수 없기 때문에 RNA 정제 후 인체 DNA 및 용해된 세포 성분들이 남을 수 밖에 없습니다. 특히 코로나 19를 처음 발견한 리원량의 경우 CT 촬영으로 폐렴소견을 받았지만, 낮은 전처리 성능으로 인해 분자진단검사를 통한 확진은 20일이나 소요되었습니다. 실제 감염되었지만 바이러스를 검출해내지 못하는 위음성 결과를 줄이기 위해 전처리 기술의 성능개선이 매우 필요합니다.

우리 연구팀에서는 바이러스 표면과 결합가능한 probe (항체, lectin) 등을 고정시킨 자성나노입자를 활용하여 세균 뿐 아니라 여러 종의 바이러스를 농축이 가능한 미세유체 칩 또한 개발하고 있고, 올해 3월 연세대세브란스 병원에서 환자의 양성검체(객담; Human coronavirus, RSV B, Influenza A virus pdm09)를 받아 테스트 한 결과, 기존 전처리 키트(Qiagen, TANbead)에서는 잡아내지 못한 influenza A virus를 저희 농축-RNA 정제 기술을 통해서는 검지해낼 수 있었습니다.
그럼 연구팀에서 생각하는 해당 기술의 차별화된 경쟁력은 무엇인가요?
우리 연구팀 기술의 가장 큰 장점은 검출하고자 하는 감염성 병원체를 샘플로부터 농축하여 더 많은 수의 병원체의 핵산(DNA/RNA)을 더 높은 순도로 공급하여, 이를 통해 분자진단의 검출 민감도를 향상시킬 수 있다는 것입니다.

또한, 자성입자기반의 농축 및 핵산정제과정이 유기적으로 연결될 수 있도록 하나의 미세유체 칩에서 구현이 가능하고, 이 칩 기반의 자동화 시스템 개발을 통해 기존 복잡했던 전처리 과정을 단순화 및 자동화 했다는 점에서 차별성이 있습니다.

또한 실제 환자 샘플내에는 어떤 병원균이 존재할지 모르기 때문에 여러 종의 병원균을 동시에 농축할 수 있는 플랫폼이 필요합니다. 그람양성균, 그람음성균 각각의 표면과 결합이 가능한 probe를 고정시킨 자성나노입자를 활용하여 전혈 내 6종의 병원균을 70%이상 동시에 농축할 수 있었습니다.

전혈 2.5 mL 기준 병원균(대장균 O157:H7)을 spike 한 샘플을 기준으로 상용 전처리 제품(3사 키트)에서는 1000, 10000 CFU/mL 수준에서 검출이 가능했지만, 개발한 전처리 시스템을 통해서 10 CFU/mL 수준까지 검출 민감도를 개선시킬 수 있었습니다. 이는 기존 상용키트 대비 100~1000배 가량 분자진단 검출 민감도를 향상시킬 수 있음을 입증하였습니다.
자세한 설명 감사합니다. 그럼 마지막으로, 앞으로의 포부 한 말씀 부탁드립니다.
이번 코로나 사태로 인하여 감염성 병원체의 조기진단 중요성이 매우 크게 부각 되고 있습니다. 현재 우리나라의 분자진단 기업들의 키트들이 해외에서도 우수한 성능으로 인정받아 K-Bio의 boom을 일으키고 있습니다. 분자진단키트가 아닌 전처리 방법에 대해서는 대부분 외국의 원천 기술에 의존하고 있기 때문에 우리 연구실의 기술력을 더욱 발전시킴으로써 기존의 기술들을 대체하고, 우리의 기술이 글로벌 분자진단 시장에 있어서 큰 구심점이 될 수 있도록 꾸준하게 연구 개발할 것입니다. 분자진단의 새로운 패러다임을 구축함으로써 대형 병원뿐만 아니라 중소형 병원에서도 누구나 쉽게 분자진단을 접할 수 있는 환경을 만들겠습니다.