코로나바이러스 감지할 수 있는 마스크 개발

문광주 기자 / 기사승인 : 2021-06-30 18:51:05
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* 바이러스, 박테리아 및 독소를 위한 새로운 바이오 센서를 직물에 통합
* 오염이 내부에 내장된 검출기에 충분한 양의 액체가 웨어버블에 묻을 수 있는지 의문

SARS-CoV-2를 감지할 수 있는 마스크
바이러스, 박테리아 및 독소를 위한 새로운 바이오 센서를 직물에 통합할 수 있다.


위험 지표로서의 마스크 :
연구원들이 통합 바이오 센서의 도움으로 숨 쉬는 공기에서 SARS-CoV-2를 감지할 수 있는 안면 마스크를 개발했다. 센서 마스크는 일반인도 쉽게 사용할 수 있어야 하며 PCR 테스트만큼 신뢰할 수 있는 결과를 제공해야 한다. 또한 연구원들은 다른 바이러스, 박테리아 및 독소에 대한 휴대용 바이오 센서를 제시하고 있다. 그러나 일상적으로 사용할 준비가 될 때까지 추가 개선이 필요하다. 

▲ h, 자발 호흡 생성을 위한 폐 시뮬레이터, 에어로졸 생성을위한 진동 메시 분무기 및 안면 마스크로의 해부학적으로 정확한 공기 흐름을위한 고 신뢰성 시뮬레이터로 구성된 호흡 방출 시뮬레이터 설정. A B 버전 안면 마스크 센서가 시뮬레이터에 표시된다. (출처: 관련 논문 Wearable materials with embedded synthetic biology sensors for biomolecule detection)

PCR 검사는 SARS-CoV-2 코로나바이러스 감염을 감지하기 위한 황금 표준이다.
이를 위해 환자의 비 인두에서 샘플을 채취해 포함된 바이러스 유전 물질을 복제한다. 이 과정은 몇 시간이 걸리며 실험실의 용량에 따라 테스트를 받은 사람들은 결과를 얻기까지 하루 이상 기다려야 하는 경우가 많다. 대안은 신속한 항원 검사로, 15~30분 후에 결과를 제공하지만 정확도는 떨어진다.

바이러스 잡는 포수와 센서를 하나로

보스턴에 있는 하버드 대학의 페터 응우웬(Peter Nguyen)이 이끄는 팀은 이제 우리가 숨 쉬는 공기에서 SARS-CoV-2를 직접 감지할 수 있는 새로운 유형의 바이오 센서를 개발했다. 센서는 CRISPR / Cas9 유전자 가위의 변형을 기반으로 한다.

이를 위해 시스템은 바이러스 스파이크 단백질에 대한 유전자 구성 지침의 일부를 도킹 템플릿으로 받는다. 공기에 들어간 바이러스 RNA를 포획하는 데 사용된다. 효소 Cas12a와 특수 화학 물질은 이러한 RNA 서열을 복제하고 동시에 염료를 활성화하여 양성 테스트 결과를 나타낸다.

이 원칙에 따라 연구원들은 작년에 빠른 코로나 테스트를 개발했다.
이와는 대조적으로 새로운 바이오 센서는 이미 호흡하는 공기와 함께 작동하므로 마스크에 통합할 수 있다. "바이러스는 기침, 말하기 또는 정상적인 호흡의 결과로 마스크 내부에 축적된다" 며 "우리가 개발한 안면 마스크에는 실온에서 SARS-CoV-2의 휴대용 비 침습적 감지를위한 동결 건조 CRISPR 센서가 포함돼 있다"고 연구원들은 설명했다.

▲ a, 센서 구성 요소의 개략도. 물집 저장소에 구멍이 뚫리면 위킹 물질을 통해 흐름이 발생해 착용자의 호흡에서 수집된 바이러스 입자를 샘플 수집 구역에서 µPAD 장치에 통합된 다운 스트림 동결 건조 반응으로 이동시킨다. 최종 출력은 마스크를 통해 외부로 전달되는 LFA 스트립으로 시각화. b, 안면 마스크에 통합된 SARS-CoV-2 센서의 사진. A 버전 센서가 표시. c, 각각 PVA 시간 지연으로 분리된 동결 건조 반응의 주요 단계. Lysis는 먼저 SARS-CoV-2 vRNA를 방출하고, RT-RPA는 다음으로 실온에서 신호 증폭을 위해 S 유전자를 표적으로 삼고 마지막으로 RPA 앰플 리콘의 Cas12a 검출은 FAM- 비오틴 ssDNA 프로브의 부수적 절단을 초래. 반응은 시각적 밴드 패턴 형성이 프로브 절단에 의존하는 LFA로 흐른다. (출처: 관련논문 Fig 4 Wearable materials with embedded synthetic biology sensors for biomolecule detection)

 

90분 후 결과 확인


실험실 조건에서 초기 테스트는 새로운 바이오 센서가 PCR 테스트만큼 정확하고 훨씬 빠르다는 것을 나타낸다. "안면 마스크 센서 활성화에서 최종 판독까지 약 1.5시간 밖에 걸리지 않는다"고 연구원들은 말했다. 또한 사용하기가 특히 쉽다.

마스크를 착용한 사람은 30분 동안 마스크를 사용한 후 버튼을 눌러 액체를 방출하기만 하면 센서가 활성화된다. 호흡하는 공기에 SARS-CoV-2의 바이러스 RNA가 포함되어 있는 경우 마스크를 착용한 지 약 90분 후에 마스크에 색상이 표시된다.

Nguyen과 그의 동료들은 "우리가 아는 한, 다른 SARS-CoV-2 핵산 검사는 주변 온도에서 완전한 기능을 갖춘 높은 감도와 특이성을 달성하고 휴대용 형식으로 통합할 수 없다"고 썼다.

일상적인 사용으로 가는 데 장애는?

반응은 착용자의 따뜻한 숨결에 의해 주도된다.
이 연구에 참여하지 않은 뮌헨에 있는 국방 미생물학 연구소의 책임자 로만 뵐펠(Roman Wölfel)은 다음과 같이 설명했다. “'웨어러블'로서 반응은 체온에 의해 주도된다. 따라서 그들은 훨씬 느리게 실행된다. 저자는 실험실 조건에서 30~45분이 걸리는 테스트에 대해 1~2시간의 시간을 제공한다."

지금까지 그의 관점에서 제시된 결과는 기본적인 타당성이 확인됐다.
"다양한 검출 방법은 때때로 매우 까다롭고 요즘에는 최적의 실험실 조건에서도 오류가 발생하기 쉽다"고 Wölfel은 말한다. 그러나 일상에는 감지를 왜곡할 수 있는 다른 미생물이나 끈적한 기질과 같은 수많은 파괴 요인이 있다.

그의 관점에서 제시된 가면은 그다지 실용적이지 않다.
특히 착용자가 일상생활에서 멀어지도록 테스트 기간 동안 90분 동안 젖은 마스크를 착용해야 한다는 생각을 고려한다. “처음에는 '웨어러블'을 오염된 물질의 수집으로 제한하고 실험실 또는 현장에서 표준화된 최적의 반응 조건에서 실제 검출 반응을 실행하도록 했다”고 그는 제안했다. "마스크에 내장된 탈착식 필터 디스크는 기존 방법을 사용해 실험실 또는 현장에서 SARS-CoV-2 이나 기타 병원체에 대해 테스트 할 수 있다.“
▲ 그림 2 : 형광 및 발광 FDCF 합성 생물학 웨어러블의 설계 및 검증. a, 광섬유 내장 직물은 재수화된 동결 건조 바이오 센서의 여기 및 방출 감지를 허용한다. 하단의 예시적인 재수화 이벤트는 수성 샘플이 포털을 통해 내부 반응 웰(wells)로 흡수되는 것을 보여준다.(출처: 관련논문 Fig 2 )

다른 병원체 및 독극물 검출에도 적합

Sars-CoV-2 마스크 외에도 Nguyen과 그의 동료들은 다른 응용 사례도 제시한다.
예를 들어 동일한 원리에 따라 작동하는 센서는 보호복에 통합될 수 있으며 환경의 독소, 박테리아 또는 바이러스를 감지할 수 있다. 연구진은 이미 에볼라 바이러스, MRSA 박테리아 및 살충제 파라옥손(Paraoxon)에 대해 이것을 테스트했다.

감지 반응은 센서가 물에 젖었을 때만 시작되기 때문에 오염된 물방울이 조직에 닿을 때와 같이 액체 매체에서 병원체 또는 독소만 감지할 수 있다. 그러나 "가운 및 기타 의류 품목의 병원 세균 검출을 위한 제안된 응용 프로그램을 사용하면 예를 들어 환자가 세균을 기침하는 등의 오염이 내부에 내장된 검출기에 충분한 양의 액체가 웨어버블에 묻을 수 있는지 의문의 여지가 있다”고 Wölfel이 지적했다.

이 연구에 참여하지 않은 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg의 인터랙티브 재료 및 바이오 영감 기술에 대한 주니어 연구그룹 리더 Can Dincer는 "이러한 시스템은 현재는 병원에서 임상 테스트를 대체할 수 없다. 하지만 섬유 통합 감각 기능을 통해 미래에 기존의 진단 방법에 대한 매우 좋은 대안을 제공할 수 있다”고 그는 낙관하며 말했다.
(Nature Biotechnology, 2021, doi : 10.1038 / s41587-021-00950-3)
출처 : Nature Biotechnology, Science Media Center

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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