경북대 연구팀, 효소 모방 ‘나노자임’ 개발…바이오센서 민감도 40배 향상

[아이뉴스24 이창재 기자] 경북대학교 연구팀이 천연 효소처럼 촉매 기능을 수행하는 유무기 하이브리드 나노소재를 개발하고 이를 바이오센서에 적용해 검출 민감도를 크게 높이는 데 성공했다.

경북대 화학과 이혜진 교수 연구팀은 효소 기능을 모방한 ‘나노자임(nanozyme)’ 기반 유무기 하이브리드 나노소재를 개발하고, 이를 바이오센서에 적용해 현장진단(POC) 분야 활용 가능성을 확인했다고 16일 밝혔다.

천연 효소는 특정 기질에 대해 높은 선택성과 촉매 효율을 지녀 화학 반응과 바이오센서 분야에서 널리 활용돼 왔다. 그러나 pH, 온도, 이온 농도 등 환경 변화에 민감해 쉽게 변성되거나 활성이 떨어질 수 있고, 정제와 보관 비용이 높아 실제 산업이나 현장 진단 환경에서 활용에 제약이 있다는 한계가 있다.

이런 문제를 보완하기 위해 최근 효소처럼 촉매 반응을 수행하는 나노소재인 ‘나노자임’이 대안 기술로 주목받고 있다.

이 교수팀이 개발한 나노자임은 질화금속 화합물이 도핑된 탄소 구조 기반의 유무기 하이브리드 소재다. 이 소재는 천연 효소인 퍼옥시다아제(peroxidase)와 유사한 촉매 활성을 나타내며 특정 기질을 산화시켜 푸른색 생성물을 형성하는 반응을 보인다. 이 색 변화는 분석 및 진단 신호로 활용된다.

연구팀은 탄소 구조에 도핑된 금속의 양과 기질 농도 등 다양한 반응 조건을 조절하며 효소 활성을 비교 분석해 나노자임의 촉매 활성이 최대가 되는 조건을 찾아냈다.

또 시험지 형태의 분석 기술인 ‘측면유동 분석법(lateral flow assay)’을 적용해 바이오센서로 활용할 수 있는 가능성도 확인했다.

측면유동 분석법은 별도의 장비 없이 짧은 시간 안에 결과를 육안으로 확인할 수 있어 현장진단 분야에서 널리 사용되는 기술이다. 연구팀은 이 분석법에 나노자임의 촉매 특성을 적용해 분석 신호를 증폭시키는 방식으로 검출 민감도를 크게 높였다.

실험 결과, 개발된 나노자임을 적용한 측면유동 분석법은 기존 금 나노입자 기반 분석법보다 약 40배 낮은 농도의 물질까지 검출할 수 있는 것으로 나타났다. 연구팀은 나노자임의 높은 촉매 활성이 분석 신호를 크게 증폭시켜 보다 정밀한 분석이 가능해졌다고 설명했다.

또 실제 혈장 시료를 이용한 실험에서도 안정적인 분석 성능을 보여 의료 현장에서 활용될 가능성도 확인됐다.

이혜진 교수는 “이번 연구는 효소 기능을 모방한 유무기 하이브리드 나노자임의 활용 가능성을 제시한 사례”라며 “앞으로 다양한 바이오센서와 질병 진단 분야로 확장될 수 있을 것”이라고 밝혔다.

이어 “현재 연구팀은 암, 뇌 질환, 심장 질환, 희귀 난치성 질환 등 4대 중증 질환을 신속하게 진단할 수 있는 현장 진단 플랫폼 개발 연구도 진행하고 있다”고 덧붙였다.

이번 연구 결과는 분석화학 분야 국제학술지 ‘바이오센서 앤 바이오일렉트로닉스(Biosensors and Bioelectronics, IF 10.5)’에 지난 3월 3일 온라인 게재됐으며 오는 7월 1일 정식 출판될 예정이다.

연구는 한국연구재단의 기초연구실 지원사업과 중견연구지원사업 지원으로 수행됐으며, 교신저자는 이혜진 교수, 제1저자는 화학과 정문경 석사과정생이다. 정성화 경북대 명예교수(기초학문융합연구원 원장) 등이 공동저자로 참여했다.