병원 없이 질병 진단…단일 레이저로 DNA·단백질 검출

손바닥 크기 칩과 카메라만으로 질병 신호를 찾아내는 기술이 나왔다. 값비싼 분광기 없이 단일 파장 레이저와 이미징만으로 DNA와 단백질을 정밀 검출하는 메타표면 바이오센서다.

17일(현지시간) 애저라이프사이언스에 따르면 포스텍(포항공과대학교) 노준석 교수 연구팀은 분광기 없이 생체분자를 정확히 검출하는 메타표면 바이오센서를 개발했다. 연구에는 포스텍 김홍윤 박사, 윤희창·정세빈 연구원과 포스텍 이효민 교수팀, 고려대학교 류용상 교수팀이 참여했다. 연구 결과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션스'에 실렸다.

바이오센서는 질병 진단과 감염병 검사, 암 바이오마커 검출, 유전자 분석 등에 쓰인다. 특히 광학 바이오센서는 형광 표지 없이도 표적 분자가 센서 표면에 붙을 때 생기는 미세한 광학 변화를 측정해 생체분자를 직접 검출할 수 있다.

다만 기존 방식은 미세한 광학 변화를 읽으려면 고해상도 분광기와 광대역 광원이 필요했다. 장비가 크고 비싸 실험실과 병원 밖으로 기술을 확산하기 어려웠다.

연구팀은 분광기로 스펙트럼을 측정하는 대신, 스펙트럼 정보를 이미지로 읽을 수 있는 공간 정보로 바꾸는 방식으로 접근했다. 핵심은 기하학적 구조가 한 방향으로 점진적으로 변하는 연속 경사형 메타표면이다.

나노 구조의 형태가 칩을 따라 서서히 달라지면서 위치마다 서로 다른 파장의 빛에 반응한다. 피아노 건반이 위치에 따라 다른 음을 내는 것과 같은 원리다. 여기에 소형 단일 파장 레이저를 비추면 국소 광공명이 레이저 파장과 일치하는 지점에서 어두운 선이 나타난다.

생체분자가 센서 표면에 결합하면 주변 굴절률이 미세하게 변하면서 광공명이 이동하고, 이에 따라 어두운 선의 위치도 움직인다. 연구팀은 이 공간적 이동을 이미징으로 추적해 분자 결합 신호를 정확히 측정했다.

센서는 사람 머리카락 몇 가닥 폭에 해당하는 약 300마이크로미터(μm) 영역에서 약 0.1나노미터(nm)의 정밀한 스펙트럼 판독 해상도를 구현했다. 단백질과 DNA 실험에서는 수백 피코몰(pM) 수준의 낮은 농도까지 생체분자를 검출했고, 특정 DNA 서열을 선택적으로 인식하는 성능도 확인했다.

이 기술은 부피가 큰 분광기와 광대역 광원 대신 소형 단일 파장 레이저와 이미지 센서만 필요로 한다. 연구팀은 감염병 검사와 암 바이오마커 검출, 유전자 분석, 액체생검 등 현장 진단 분야에 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 기대했다.

노준석 교수는 "이번 연구는 메타표면의 높은 광학 감도와 이미징 기반 판독의 단순성을 결합해 기존 분광기 기반 바이오센서의 한계를 극복했다"며 "현장 진단용 소형·저비용 바이오센싱 기술로 발전할 가능성이 크다"고 말했다.

이번 연구는 보건복지부가 지원하는 한국형 ARPA-H 프로젝트 사업과 과학기술정보통신부가 지원하는 한국연구재단 사업의 지원을 받아 수행됐다.