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유전자 가위 ‘속도’ 조절로 여러 바이러스·변이 동시 식별
감염병 확산이 빨라질수록, 여러 바이러스를 한 번에 정확히 구별하는 기술이 중요해지고 있다. 우리 대학과 국제 연구진이 유전자 가위의 ‘속도’를 설계해 다양한 바이러스와 변이를 동시에 판별하는 새로운 진단 기술을 개발했다. 이 기술은 복잡한 검사 과정을 줄이면서도 다양한 감염병을 동시에 판별할 수 있어, 신종 감염병 대응의 판도를 바꿀 것으로 기대된다.
우리 대학은 바이오및뇌공학과 손성민 교수 연구팀이 미국 UC 버클리(UC Berkeley), 글래드스톤 연구소(Gladstone Institutes) 연구진과 손잡고, 유전자 가위의 반응 속도를 활용해 여러 바이러스와 변이를 동시에 구별할 수 있는 새로운 리보핵산(이하 RNA) 진단 기술을 개발했다고 26일 밝혔다.
연구팀이 활용한 무기는 Cas13이라 불리는 유전자 가위 단백질이다. 유전자 가위는 특정 유전자를 찾아 잘라내는 단백질로, 목표를 인식하면 활성화되는 특징을 가진다. Cas13은 특히 RNA를 표적으로 하며, 목표 RNA를 찾으면 주변 RNA를 자르면서 형광 신호를 발생시킨다.
기존 기술은 여러 바이러스를 동시에 검출하기 위해 서로 다른 유전자 가위나 다양한 색의 형광 물질을 사용해야 해 구조가 복잡하고 실제 현장 적용이 어려웠다.
연구팀은 여기서 발상을 전환했다. 유전자 가위가 목표물과 결합할 때, 바이러스의 종류에 따라 ‘가위질’을 하는 속도가 제각각이라는 점에 주목한 것이다. 아주 작은 물방울(droplet) 안에서 단일 분자 단위로 관찰한 결과, 가이드 RNA와 표적 RNA의 조합에 따라 고유한 반응 속도 패턴이 나타난다는 사실을 확인했다. 가이드 RNA는 유전자 가위가 어떤 목표를 찾을지 안내하는 ‘위치 정보’ 역할을 하는 RNA 분자다.
이를 바탕으로 연구팀은 반응 속도 차이를 ‘바코드’처럼 활용하는 ‘키네틱 바코딩(kinetic barcoding)’ 기술을 개발했다. 이는 반응 속도를 일종의 신호 패턴으로 읽어 서로 다른 바이러스를 구별하는 방식이다. 이 기술을 통해 단 하나의 유전자 가위만으로도 여러 바이러스와 변이를 동시에 구별할 수 있게 됐다.
또한 가이드 RNA 설계를 조정하면 유전자 가위질 속도를 원하는대로 조절할 수 있어, 이론적으로는 매우 다양한 바이러스를 동시에 판별할 수 있는 확장성도 확보했다.
검사 과정 역시 크게 단순화됐다. 기존 방식에서는 RNA 바이러스를 검출하기 위해 DNA로 변환하는 ‘역전사(reverse transcription)’ 과정이 필요했지만, 이번 기술은 RNA를 그대로 직접 검출할 수 있다. 역전사는 RNA를 DNA로 바꾸는 과정으로, 검사 시간을 늘리고 절차를 복잡하게 만드는 단계다.
실제 임상 샘플을 테스트한 결과, 다양한 호흡기 바이러스와 SARS-CoV-2 변이를 한 번의 반응만으로 정확하게 구분해내는 데 성공했다.
손성민 교수는 "이번 연구는 단순히 바이러스가 있는지 없는지를 보는 것을 넘어, 유전자 가위의 반응 속도라는 새로운 정보를 진단에 활용한 첫 사례"라며 "앞으로 나타날 수 있는 다양한 감염병을 현장에서 한 번에 진단하는 차세대 플랫폼이 될 것"이라고 강조했다.
이번 연구는 KAIST 손성민 교수가 제1 저자 및 공동 교신저자로 참여했으며, 바이오공학 분야의 세계적 학술지인 ‘네이처 바이오메디컬 엔지니어링(Nature Biomedical Engineering)’에 2026년 3월 31일 게재됐다.
※ 논문명 : Programmable kinetic barcoding for multiplexed RNA detection with Cas13a, DOI: 10.1038/s41551-026-01642-6
한편, 이번 연구는 KAIST의 신임교수 정착연구비의 지원과 미국 국립보건원(NIH/NIAID)의 지원을 받아 수행됐다.
2026.04.27 조회수 1726 -
유전자 가위를 이용한 RNA 분해효소 검출 신기술 개발
우리 대학 생명화학공학과 박현규 교수 연구팀이 *크리스퍼 카스12a (CRISPR-Cas12a) 시스템의 *부수적 절단 활성을 활용해 RNA 분해효소를 민감하게 검출해내는 신기술을 개발했다고 14일 밝혔다.
☞ 크리스퍼 카스 시스템 (유전자 가위 기술)
- 크리스퍼 카스 시스템은 박테리아가 바이러스 감염으로부터 자신을 보호하기 위해 진화시킨 적응 면역 시스템이다. 이는 외래 유전자의 정보를 담고있는 가이드RNA와 직접 핵산을 절단하는 카스 단백질로 이루어져 있다. 2020년 제니퍼 다우드나 교수의 연구팀이 크리스퍼 카스9 유전자 가위 시스템을 개발한 공로로 노벨화학상을 수상해 널리 알려졌으며, 높은 표적 특이성과 빠른 역학 덕분에 최근에는 유전체 편집을 넘어 생체물질 검출 및 분자진단 분야에 광범위하게 적용되고 있다.
☞ 부수적 절단 활성
- 카스9 이외에도 Cas12, Cas13 등의 다양한 카스 단백질이 발굴되고 활용되고 있다. 카스12a는 표적 DNA 서열을 인식해 이를 절단하며, 이에 더해 주변의 비표적 단일 가닥 DNA를 무작위하게 절단하는 부수적 절단 활성을 가지고 있다. 이러한 성질은 분자진단 분야에서 활발하게 사용되고 있다.
우리 대학 생명화학공학과 김한솔 박사가 제1 저자로 참여한 이번 연구는 영국왕립화학회가 발행하는 국제 학술지 `케미컬 커뮤니케이션스 (Chemical Communications)'에 2022년도 16호 표지(Back cover) 논문으로 지난달 24일 선정됐다. (논문명: CRISPR/Cas12a collateral cleavage activity for an ultrasensitive assay of RNase H)
RNA 분해효소의 일종인 `리보핵산가수분해효소 H'는 후천성면역결핍증(에이즈)을 일으키는 바이러스인 인간 면역결핍 바이러스(HIV-1) 및 B형 간염 바이러스를 포함한 역전사 바이러스의 역전사효소에서 필수적인 영역으로, 역전사 바이러스의 증식에 관여한다. 따라서 리보핵산가수분해효소 H는 항바이러스제 개발의 중요한 표적으로 알려져 있다. 일반적으로 리보핵산가수분해효소 H의 활성을 검출하기 위해서는 전기영동 또는 고성능 액체크로마토그래피 등의 방식을 사용하고 있지만, 이와 같은 기술들은 낮은 특이도와 민감도, 복잡한 검출 과정, 긴 검출 시간 등의 단점이 있다.
연구팀은 이러한 현행 기술의 한계를 극복하기 위해, 크리스퍼 카스12a (CRISPR-Cas12a) 시스템을 활용해 검출의 민감도를 크게 향상하고 리보핵산가수분해효소 H를 현재 보고된 기술 중 가장 높은 민감도로(검출한계: 0.24 U/L) 1시간 이내에 검출하는 데 성공했다.
연구팀은 리보핵산가수분해효소 H의 기질로 짧은 DNA/RNA 키메라 복합체를 이용해 리보핵산가수분해효소 H의 활성 하에 활성제 DNA (Activator DNA, AD)가 방출되도록 설계했다. Cas12a/crRNA 복합체가 방출된 활성제 DNA를 인식할 시 Cas12a의 부수적 절단 활성을 가동해 주변의 리포터 DNA를 절단해 형광 신호가 발생하도록 설계함으로써, 표적 유전자 돌연변이를 고감도로 매우 정확하게 검출했다. 연구팀은 이 기술을 통해서 암세포의 리보핵산가수분해효소 H 활성도 성공적으로 검출할 수 있었다.
특히 리보핵산가수분해효소 H가 인간 면역결핍 바이러스 증식에 관여한다는 점을 고려할 때, 이번 연구 성과는 에이즈 치료제 개발에 기여할 수 있을 것으로도 기대된다.
박현규 교수는 “이번 기술은 크리스퍼 카스12a (CRISPR-Cas12a) 시스템의 부수적 절단 활성을 활용해 리보핵산가수분해효소 H를 고도로 민감하게 검출함으로써, 항바이러스제의 표적 발굴에 활용될 수 있다”라고 연구의 의의를 설명했다.
한편 이번 연구는 경찰청의 치안과학기술연구개발사업 및 한국연구재단의 중견연구자지원사업과 바이오·의료기술개발사업의 일환으로 수행됐다.
2022.03.14 조회수 18369 -
민범기, 한순규, 이승재 교수, 한성과학상 수상
우리 대학 기계공학과 민범기 교수, 화학과 한순규 교수, 생명과학과 이승재 교수가 제2회 한성과학상 수상자로 선정됐다.
한성손재한장학회(이사장 손재한)가 제정한 한성과학상은 발전 가능성이 큰 젊은 과학자들을 매년 발굴해 포상함으로써 연구자의 사기를 높이고 그들의 연구성과물이 대한민국 및 인류복지증진에 이바지하기 위해 만들어졌다.
매년 물리, 화학, 생명과학 분야에서 각 1명씩 선정해 상패와 상금 5천만 원을 수여한다. 올해는 우리 대학에서 모든 수상자가 배출됐다. 시상식은 오는 8월 16일 경기도 화성 YBM 연수원에서 열린다.
물리 분야 수상자 민범기 교수는 광학적 인공 배열 구조인 메타 물질 분야에서 고정된 틀을 완전히 벗어난 새로운 시각으로 기존 광학의 한계를 뛰어넘는 연구를 통해 수상자로 선정됐다. 인공 구조체의 배열로 구성된 메타 물질과 전자기파 사이의 상호작용을 극대화하고 이를 이용한 전자기파의 다양한 특성을 제시하는 방법을 제시했다.
민 교수는 자연계에서 볼 수 없는 높은 굴절률을 가지는 새로운 광학 물질의 구현, 메타 물질/그래핀 접합 구조를 활용해 빛의 세기, 위상, 편광 및 이력의 새로운 제어 방법을 구현했고, 메타 표면을 이용해 시간적 경계면 구현 및 선형적인 주파수 변환 검증에 성공하는 등 독창적인 연구 결과를 발표해왔다.
화학 분야 수상자인 한순규 교수는 역대 수상자 중 최연소로(만 36세) 천연물 전합성 분야에서 두드러진 연구 결과와 장래성을 인정받아 수상자로 선정됐다.
자연에서 추출되는 복잡한 구조의 천연물을 실험실에서 인공적으로 만드는 천연물 전합성 분야는 연구의 난도가 높고 연구의 호흡이 길어 젊은 과학자가 도전하기에는 상당한 어려운 분야이다.
한 교수는 생합성 가설에 기반한 합성전략을 통해 난제로 여겨진 포스트-이보가 및 이합체 세큐리네가 천연물의 화학적 합성에 성공했다. 한 교수의 연구 결과는 마약중독 치료제 및 항암제 등의 후보물질 개발에 사용될 수 있을 것으로 기대된다.
생명과학 분야 수상자인 이승재 교수는 리보핵산(RNA)의 품질조절로 건강 수명을 증진하는 생명과학의 원리를 밝힘으로써 노화 연구의 새로운 분야를 개척했다는 점에서 본 수상의 영예를 안았다. 생명체에서는 잘못된 전사체가 항상 생성되고 이들은 전사체 품질 관리 기전에 의해 지속적으로 제거된다.
이 교수는 노화가 진행됨에 따라 전사체 품질 관리 기전의 효율이 떨어지게 되고 그 결과 잘못된 전사체가 세포 내에 축적되게 된다는 발견을 통해 노화의 신비를 과학적으로 이해하기 위한 새로운 패러다임을 제시했다는 평가를 받고 있다.
화학 분야 수상자인 한순규 교수는 “한성과학상의 제정 취지가 젊은 과학자를 격려해 우리나라에서도 노벨상 수상자가 나올 수 있는 분위기를 조성하는 것이다”라며 “인류에 도움이 되는 새로운 학문 분야를 개척할 수 있도록 노력하겠다”라고 말했다.
2019.06.26 조회수 18566