건국대와 미국 텍사스 주립대 연구팀이 개별적인 하나의 단일 나노입자수준에서 신호를 측정하는 방법을 이용해 분석화학의 궁극적 목표인 단일 분자 검출이 이론적으로 가능할 정도로 바이오 센서의 검출한계를 획기적으로 낮춘 초고감도 DNA센서를 개발했다.

건국대학교 이과대학 화학과 권성중 교수 연구팀은 최근 미국 텍사스 주립대-오스틴의 알렌 바드(Allen J. Bard) 교수팀과 공동으로 금속입자가 전극표면에 충돌할 때 이들의 전기촉매 반응에서 나오는 증폭된 신호를 통해 개별적으로 각각의 나노입자를 구별하여 검출할 수 있게 하는 ‘전기신호증폭법’을 이용해 백금(Pt) 나노입자를 DNA에 표지(label)물질로 사용한 DNA센서를 개발했다고 밝혔다.

이번 연구결과는 SCI(과학논문인용색인)급 세계적 화학학술지인 JACS(미국화학 학회지 : Journal of the American Chemical Society) 최근호 (7월4일자)에 게재됐다. (J. Am. Chem. Soc. 2012, 136, 10777-10779.)

건국대 권성중 교수팀이 개발한 DNA센서는 기존의 센서와는 다르게 표지물질(label)로 사용된 많은 수의 백금 나노입자들이 함께 모여서 나타나는 앙상블(ensemble) 형태로 한꺼번에 주는 평균된 신호가 아니라, 하나의 개별 나노입자의 신호를 구별하여 관찰함으로써 바이오 분자의 검출 한도를 평균 신호를 측정하는 방식 보다 약 10배 정도 낮출 수 있었다.

최근 나노기술의 발달로 다양한 나노입자(크기가 수 나노미터(10억분의 1 m)에 불과한 작은입자)가 합성되어 촉매로 사용 및 응용되고 있다. 나노입자가 부피대비 큰 표면적을 가져서 촉매활성 반응속도를 매우 빠르게 한다는 점을 이용하여 나노입자를 표지(label)로 이용한 바이오센서 등이 개발 되었다. 나노입자를 바이오물질을 검출하기 위한 표지로 이용하면 이들이 만들어내는 촉매반응의 생성물을 물리적, 화학적, 전기적, 전기화학적 방법으로 검출하여 바이오물질을 정량할 수 있다.

하지만 기존의 방식은 하나의 나노입자가 주는 신호가 너무 작아 이를 관찰하기 어렵기 때문에 많은 수의 나노입자들이 함께 모여서 나타나는 앙상블(ensemble) 형태로 측정 되어왔다. 따라서 바이오센서의 검출한계를 낮추는 데에 한계가 있었고 이를 극복하기 위해서는 다른 형태의 신호증폭방법이 필요했다.

건국대와 미국 텍사스주립대 연구팀은 만약 하나의 단일 나노입자가 주는 신호를 검출 할 수 있다면, 이를 바이오분자의 표지(label)물질로 이용했을 때, 분석화학의 궁극의 목표라 할 수 있는 단일분자 수준의 검출이 가능할 것으로 예상하였다.

연구팀이 개발한 전기신호증폭법은 나노입자가 전극표면에 충돌할 때 이들의 전기촉매 반응의 증폭된 신호를 통해 개별적으로 각각의 나노입자를 구별하여 검출할 수 있게 하는데, 현재 알렌 바드 교수와 영국 옥스퍼드 대학의 리차드 콤프톤(Raichard G. Compton) 교수 연구팀, 건국대 권성중 교수 연구팀이 지속적인 연구를 해오고 있다.

연구팀은 이 전기신호증폭법을 이용해 단일 백금(Pt) 나노입자를 DNA에 표지(label)물질로 사용한 샌드위치 타입(sandwich type)의 DNA 센서를 개발하고, 이 DNA센서에서 개별 나노입자가 주는 전기신호를 관찰하는 데 성공했다.

권성중 교수는 “이 방법은 개별 표지(label)물질의 신호를 구분하여 관측함으로써 이론적으로 단일 표지가 결합된 단일 바이오분자의 검출이 가능함을 증명하고 있다”며 “앞으로 지속적인 연구를 통해 최적화 조건(단일분자 시료준비 및 검증, 측정시간의 단축문제 등)을 찾아낸다면 단일분자까지는 아니더라도 수십에서 수백 개의 분자가 있는 시료에서의 검출이 가능한 초고감도 바이오센서의 제작이 가능할 것”이라고 말했다.