▲ 세균 검출 프로브인 PNA분자의 디자인 원리(上), 형광 프로브를 이용한 검출 방식과 이를 이용한 세균 이미지 (左下), 7종의 PNA 분자를 이용해 각 세균을 검출한 결과 (右下)(출처: UNIST)

국내 연구진이 감염 원인균을 100%에 가까운 정확도로 3시간 안에 판독해낼 수 있는 진단 기술을 개발해 항생제 투여 골든타임이 중요한 패혈증과 같은 질환 치명률을 낮출 수 있을 것으로 기대된다.

UNIST 바이오메디컬공학과 김하진·권태준·강주헌 교수팀은 인공 설계 분자인 PNA를 프로브(probe)로 이용한 FISH 진단 기술을 개발했다고 12일 밝혔다.

FISH 기술은 프로브 분자가 세균의 특정 유전자 서열과 결합하면 발생하는 형광 신호를 읽어 내는 원리의 진단 기술로, 이번에 개발된 FISH 기술은 PNA 분자 두개를 동시에 사용하는 방식이다.

연구팀은 2만 종의 세균 게놈 서열을 분석해 특정 종의 리보솜 RNA에만 붙도록 PNA 서열을 설계했다. PNA는 일반적인 DNA 기반 프로브에 비해 서열 불일치 민감도가 크며, 세균의 세포벽을 투과하는 성능도 뛰어나다.

또 두 개의 PNA가 모두 표적 부위에 달라붙어야만 신호가 발생하기 때문에 프로브 분자가 결합 부위를 잘못 찾아 생기는 혼선(crosstalk)을 크게 줄일 수 있다. 이를 통해 개별 세균 감염에 대한 검사뿐만 아니라 여러 세균이 섞여 있는 상황에도 정확도를 높였다.

해당 기술은 대장균, 녹농균, 황색포도상구균 등 세균 7종을 개별 샘플에서 검출하는 실험에서, 황색포도상구균을 제외하고는 모두 99% 이상의 검출 정확도를 보였다. 황색포도상구균은 96.3%의 정확도로 검출됐다. 여러 종류의 균이 섞인 상황에서의 성능도 검증했다. 장구균과 대장균을 섞어 실험한 결과, 두 균 모두 99% 이상의 검출 정확도를 보였다.

한편, PNA 분자 두 개를 이용한 기술은 포스터 공명 에너지 전달 현상(Forster Resonance Energy Transfer)을 기반으로 한다. 두 개의 PNA 분자가 가까이 있을 때, 한 분자에서 다른 분자로 에너지가 전달되는데, 이때 에너지를 받은 분자가 내는 형광을 측정하는 원리다.

연구팀은 실제 환자로부터 채취한 혈액을 이용한 추가 실험을 통해 임상 적용을 모색할 계획이라고 밝혔다.

김하진 교수는 “패혈증, 요로 감염, 폐렴 등 즉각적인 항생제 치료가 필요한 감염병 진단과 불필요한 항생제 사용을 줄이는 데 도움이 될 것”이라고 말했다.