유전자 진단이나 감염성 바이러스가 유행하게 되면서 분자진단 기술이 많이 개발되었습니다.
일반인들에게도 유명한 PCR 검사 기술 또한 digital PCR 등의 개선된 차세대 기술이 활발하게 개발되고 있습니다.
오늘은 초고속 진단을 가능하게 하는 최첨단 PCR 기술인 photonic PCR (광 PCR)에 대해 알아보겠습니다.
1. 기존 PCR 진단 기술의 한계점
PCR 검사는 표적 분자에 대한 높은 민감도와 특이도 덕분에 분자진단 기술 중에 표준 기술 (Gold standard)로 사용되고 있지만 Denaturation step (95℃), Annealing step (55℃), Extension step (72℃)을 진행할 때 thermal cycler를 통해 지속적으로 온도 변화를 일으켜야 하기 때문에 긴 진단 시간을 필요로 한다는 단점이 있습니다.
이러한 단점을 해결하기 위해 흔히 우리가 알고 있는 자가 진단 키트 (면역진단) 기술이 개발되어 널리 활용되었습니다.
면역진단 기술은 스스로 검체를 채취하여 검사할 수 있어 간편하고 또한 15-20분 이내에 검사 결과가 나오는 장점이 있습니다.
그러나, COVID-19 팬데믹 초기에도 문제가 되었던 것처럼 기술의 민감도가 낮기 때문에 정확한 진단이 어렵다는 문제가 있습니다.
새롭게 연구되고 있는 Photonic PCR은 기존 PCR 검사의 긴 진단 시간문제를 해결할 수 있으며, 표적 물질에 대한 높은 민감도와 특이도를 보이는 기술로 많은 관심을 얻고 있습니다.
2. Photonic PCR 검사 기술의 원리 및 이해
그럼 이제 초고속 PCR 기술인 Photonic PCR 기술에 대해 알아보겠습니다.
Photonic PCR 기술에 들어가는 요소는 기존 PCR과 동일하게 표적 물질, 한 쌍의 프라이머 (Forward primer 와 Reverse primer)와 DNA 중합 효소 (DNA polymerase)를 사용합니다.
그러나, 온도를 변화시키는 방식에는 큰 차이가 있습니다.
DOI:10.1038/lsa.2015.53
Son, J. H., Cho, B., Hong, S., Lee, S. H., Hoxha, O., Haack, A. J., & Lee, L. P. (2015). Ultrafast photonic PCR. Light: Science & Applications, 4(7), e280-e280.
기존의 PCR 기술은 주로 박막 히터나 열전소자를 이용한 저항가열 방식을 이용하였습니다.
그러나 photonic PCR의 경우는 광열 나노소재를 활용하는 기술입니다.
light (photon)을 이용하여 얇은 금 표면 (Thin Au film) 위에서 플라즈모닉 광-열 교환을 통해 더욱 빠르게 온도를 변환시킬 수 있습니다.
이렇게 빠르게 온도를 변환 시킬 수 있기 때문에 총 30-40 cycle을 진행해야 하는 PCR 진단을 훨씬 빠르게 만들 수 있습니다.
DOI:10.1038/lsa.2015.53
Son, J. H., Cho, B., Hong, S., Lee, S. H., Hoxha, O., Haack, A. J., & Lee, L. P. (2015). Ultrafast photonic PCR. Light: Science & Applications, 4(7), e280-e280.
위의 그래프에서 볼 수 있듯이 30 cycle을 300초 (5분) 안에 진행할 수 있는 정말 획기적인 기술입니다.
Photonic PCR은 1-2시간 걸리던 기존의 PCR 기술을 5-10분 이내로 검출할 수 있게 하였습니다.
다만 안정성과 효율성은 기존 PCR에 미치지 못하기 때문에 아직 표준 기술로 활용되지는 못하고 있습니다.
수많은 연구원들이 활발히 연구하고 있기 때문에 멀지 않은 미래에 훌륭한 분자진단 기술로 자리매김할 것으로 생각됩니다.