카이스트, 라만분광기술 세계 최초 개발…암치료 모니터링 응용 기대

대역확산 라만분광 기술 개념도[사진 = 카이스트]

기존 검출한계를 크게 향상시킨 라만 분광 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 약물 검사 및 암 치료 모니터링에 응용이 가능할 것으로 기대된다.

카이스트(KAIST)는 바이오및뇌공학과 정기훈 교수 연구팀이 디지털 코드 라만 분광 기술을 세계 최초로 개발했다고 15일 밝혔다.

생체 분자의 광학 검출의 기술적 장벽인 신호대잡음비를 1000배 이상, 검출한계를 기존 대비 10억 배인 아토몰(10의 마이너스 18승 mole) 단위까지 향상시켰다.

라만 분광법(Raman spectroscopy)은 특정 분자에 레이저를 쏘았을 때 그 분자 전자의 에너지준위 차이만큼 에너지를 흡수하는 현상을 통해 분자의 종류를 알아내는 방법이다.

극저농도의 신경전달물질을 간편하면서도 정확하게 측정할 수 있다면 신경계 질환의 조기 진단율을 크게 높일 수 있고 신경 질환 환자의 치료 추적 관리에 큰 도움을 줄 수 있다.

하지만 기존 신경 질환 진단기술은 검출한계가 나노몰(10의 마이너스 9승 mole) 이상에 그치며, 시료 전처리 단계가 복잡하고 측정 시간이 오래 걸리는 한계가 있다.

이러한 문제 해결을 위해 연구팀은 통신 분야에서 잘 알려진 대역 확산기술(CDMA)을 생분자화합물의 라만 분광 검출법에 세계 최초로 적용했다.

그 결과 생체 분자 신호의 신호대잡음비를 증가시켜 더욱 정밀한 검출한계를 달성했다.

디지털 코드화된 레이저광원을 이용해 모든 잡음신호를 제거하고, 생화합물의 고순도 라만 분광 신호를 복원함으로써 극저농도의 생분자화합물을 형광 표지 없이 정확하게 분석했다.

기존의 다른 신호처리 기술보다 잡음을 제거하는 성능이 우수해 신호대잡음비와 검출한계, 시간해상도를 최고 수준으로 끌어올릴 수 있다.

이번 연구의 결과를 바탕으로 극저농도의 생체 분자의 특정 성분을 검출해 고헤상도 바이오 영상 현미경, 진단 의학, 약물 검사 및 암 치료 모니터링에 응용 가능할 것으로 기대된다. 나아가 신약 개발용 약물 스크리닝, 환경 지표 검사, 생리학적 기능 연구 등에도 크게 기여할 수 있을 것이라 기대된다.

제1 저자인 이원경 박사과정은 “고감도 분자 진단을 위해 통신 분야의 최첨단 기술인 대역확산 기술을 접목한 차세대 디지털 코드 라만 분광 기술을 최초로 제안했으며, 이 방법으로 기존 생체 분자 검출 기술의 장벽을 해결하고 기존 기술의 신경전달물질 검출한계를 획기적으로 향상시켰다”며 “고감도 소형 분광기로 신속하고 간단하게 현장 진단이 가능하고 다양한 분야에 활용될 수 있어 파급효과가 크다”고 말했다.

정기훈 교수는 “이번 결과를 바탕으로 향후 휴대용으로 소형화를 진행하면 낮은 비용으로 무표지 초고감도 생체 분자 분석 및 신속한 현장 진단이 가능해질 것이다”며 “또한 신경전달물질뿐 아니라 다양한 생화합물 검출, 바이러스 검출, 신약평가분야에 크게 활용될수 있을 것이다”고 말했다.

카이스트 바이오및뇌공학과 이원경 박사과정이 제 1저자로 참여한 이번 연구는 세계적 권위의 과학전문지 ‘네이처(nature)’의 자매지인 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’에 1월 8일자 온라인판에 발표됐다.