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난치성 질환 원인 점 돌연변이, ‘나노 눈사람’으로 빠르게 진단

2019년 02월 26일 15:49
이미지 확대하기연구팀이 개발한 금 나노입자에 탐지용 DNA 가닥과 환자 샘플 속 DNA가 결합한 모습. 여기에 점 돌연변이를 찾는 뮤트S 단백질(파란색)이 결합했다. 이 과정을 빛을 이용해 측정하면 점 돌연변이 여부와 그 종류를 알 수 있다. 사진 제공 네이처 커뮤니케이션스
연구팀이 개발한 금 나노입자에 탐지용 DNA 가닥과 환자 샘플 속 DNA가 결합한 모습. 여기에 점 돌연변이를 찾는 뮤트S 단백질(파란색)이 결합했다. 이 과정을 빛을 이용해 측정하면 점 돌연변이 여부와 그 종류를 알 수 있다. 사진 제공 네이처 커뮤니케이션스

암을 비롯한 심각한 질환은 보통 유전자를 구성하는 DNA 가운데 하나의 염기에 무작위적인 변화가 일어나서 생긴다. 이를 ‘점 돌연변이’라고 한다. 유방암을 일으키는 일명 ‘브라카1(BRCA1)’ 유전자가 대표적으로, 이 유전자에 점 돌연변이가 일어나면 그렇지 않은 사람에 비해 유방암이 10배 많이 발생한다.


점 돌연변이는 암을 진단하는 데 중요한 변수지만 빠르고 간편하게 검사하기가 어려웠다. 국내 연구팀은 최근 암과 관련이 있는 유전자의 점 돌연변이를 쉽게 검출할 수 있는 나노 기술을 개발했다.


마싱이 고려대 화학생명공학과 연구원과 심상준 교수, 이현숙 서울대 생명과학부 교수팀은 금 나노 입자를 이용해 암과 관련 있는 유전자의 점 돌연변이를 2분 내에 정밀하게 검출하는 금나노 입자 기반 바이오 센서를 개발해 국제학술지 ‘네이처 카뮤니케이션스’ 19일자에 발표했다.


연구팀은 점 돌연변이가 일어났을 때 세포 내에서 유전자를 복구하기 위해 동원되는 단백질인 ‘뮤트S(MutS)’에 주목했다. 연구팀은 BRCA1 유전자에서 발생하는 점 돌연변이 가운데 유방암을 일으키는 데 주로 관여하는 8가지 점 돌연변이를 선정한 뒤, 이 점 돌연변이를 각각 구분할 수 있는 나노 바이오센서를 만들었다.


먼저 이중나선 DNA 한 가닥을 준비한 뒤, 수용액의 산성도를 조절해 DNA 표면의 전하를 바꿨다. 이 과정에서 DNA 표면에 금 입자가 결정을 이루며 달라붙어 자랐다. 연구팀은 여러 실험을 통해 길이가 31nm(나노미터. 1nm는 10억 분의 1m), 폭이 15nm인 눈사람 모양의 금 나노입자(금 나노브릿지)를 효율적으로 대량 합성하는 데 성공했다. 

 

이미지 확대하기연구팀이 개발한 금 나노입자의 개념도와 현미경 사진. 맨 위는 제작 방법으로, DNA 가닥을 일종의 뼈대로 삼아 금 결정을 입힌다. 완성되면 아래 사진처럼 눈사람 모양이 된다. 사진 제공 한국연구재단
연구팀이 개발한 금 나노입자의 개념도와 현미경 사진. 맨 위는 제작 방법으로, DNA 가닥을 일종의 뼈대로 삼아 금 결정을 입힌다. 완성되면 아래 사진처럼 눈사람 모양이 된다. 사진 제공 한국연구재단

이후 이 나노입자 표면에 원하는 점 돌연변이를 읽을 수 있도록 탐지용 단일 가닥 DNA 조각을 붙인다. 이렇게 만든 금 나노 바이오센서를 뮤트S 단백질과 함께 환자의 세포가 있는 시료에 넣으면, 탐지용 DNA 조각과 같은 환자의 DNA가 붙게 된다. 하지만 점 돌연변이가 있는 경우 결합이 잘 되지 않는 부위가 발생한다. 이 부위에 뮤트S 단백질이 붙는다.


연구팀은 금 나노입자와 뮤트S 단백질, DNA가 결합할 때 그 부위에 빛을 쪼여 점 돌연변이가 일어났는지 여부를 확인하는 데 성공했다. 또 어떤 종류의 점 돌연변이인지도 구분하는 데 성공했다. 연구팀이 뮤트S와 점 돌연변이 부위 사이의 결합 속도를 비교한 결과, BRCA1을 일으키는 대표적인 6개의 DNA 염기 교체 돌연변이와 1개의 염기 누락, 1개의 염기 추가 돌연변이의 결합 속도가 모두 달랐다. 연구팀은 이 방법으로 단 2분만에 돌연변이를 종류까지 정밀하게 검출하는 데 성공했다.


연구팀은 암이나 유전병 등을 일으키는 점 돌연변이를 빠르고 저렴하게 진단하는 데 도움을 줄 것으로 기대했다. 금 나노입자는 매우 작아 제조 가격이 싸다. 심 교수는 “수천 개를 제작해도 수천 원 이하밖에  제작비가 들지 않는다”고 말했다.

 

심 교수는 “DNA를 이용해 나노입자를 제작하고 다시 나노 크기의DNA 변화를 검출하는 진정한 의미의 나노 바이오센서를 완성했다”며 “적은 시료로 다양한 유전 질환과 암을 쉽고 빠르게 진단할 수 있어 환자 맞춤형 치료 등에 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.

 

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