단일 분자만으로 질병 검출

UC Riverside 과학자들은 개별 분자에서 신호를 포착하여 현재 테스트보다 훨씬 빠르고 정확하게 질병을 진단하는 데 도움이 되는 나노포어 기반 도구를 개발했습니다.

과학자들이 감지하려는 분자(일반적으로 특정 DNA 또는 단백질 분자)의 폭은 대략 10억분의 1미터이므로, 이들이 생성하는 전기 신호는 매우 작으며 특수한 감지 장비가 필요합니다.

“지금 당장 질병을 탐지하려면 수백만 개의 분자가 필요합니다. 우리는 단 하나의 분자에서도 유용한 데이터를 얻는 것이 가능하다는 것을 보여주고 있습니다.”라고 UCR의 생명공학 조교수이자 논문의 주요 저자인 Kevin Freedman이 말했습니다. 종이 도구에 대해 자연나노기술. "이러한 수준의 민감도는 질병 진단에 실질적인 변화를 가져올 수 있습니다."

Freedman의 연구실은 뇌의 뉴런처럼 행동하고 기억, 특히 이전에 센서를 통과한 분자의 기억을 유지할 수 있는 전자 탐지기를 구축하는 것을 목표로 합니다. 이를 위해 UCR 과학자들은 센서 동작의 작은 변화를 설명하는 새로운 회로 모델을 개발했습니다.

회로의 핵심에는 분자가 한 번에 하나씩 통과하는 작은 구멍인 나노기공이 있습니다. 생물학적 샘플은 이온으로 해리되는 염과 함께 회로에 로드됩니다.

샘플의 단백질이나 DNA 분자가 기공을 통과하면 통과할 수 있는 이온의 흐름이 감소합니다. Freedman은 "우리의 검출기는 단백질이나 DNA 조각이 통과하여 이온의 통과를 차단함으로써 발생하는 흐름의 감소를 측정합니다."라고 말했습니다.

이온에 의해 생성된 전기 신호를 분석하기 위해 시스템은 일부 분자가 나노기공을 통과할 때 감지되지 않을 가능성을 고려해야 한다고 Freedman은 제안합니다.

이 발견의 차별점은 나노기공이 단순한 센서가 아니라 그 자체가 필터 역할을 하여 중요한 신호를 모호하게 할 수 있는 샘플 내 다른 분자의 배경 잡음을 줄여준다는 것입니다.

기존 센서에는 원치 않는 신호를 제거하기 위해 외부 필터가 필요하며 이러한 필터는 실수로 샘플에서 중요한 정보를 제거할 수 있습니다. Freedman의 접근 방식은 각 분자의 신호를 보존하여 진단 응용 분야의 정확성을 높입니다.

Freedman은 이 장치를 사용하여 초기 단계에서 감염을 감지할 수 있는 USB 드라이브보다 크지 않은 소형 휴대용 진단 키트를 개발할 계획입니다. 오늘날의 테스트에서는 노출 후 며칠 동안 감염이 등록되지 않을 수 있지만 나노포어 센서는 24~48시간 내에 감염을 감지할 수 있습니다. 이 기능은 빠르게 확산되는 질병에 상당한 이점을 제공하여 조기 개입 및 치료를 가능하게 합니다.

"나노포어는 증상이 나타나기 전, 질병이 퍼지기 전에 감염을 더 빨리 잡을 수 있는 방법을 제공합니다"라고 Freedman은 말했습니다. "이러한 종류의 도구는 바이러스 감염과 만성 질환 모두에 대한 조기 진단을 훨씬 더 실용적으로 만들 수 있습니다."

진단 외에도 이 장치는 단백질 연구 발전에 대한 가능성을 갖고 있습니다. 단백질은 세포에서 필수적인 역할을 수행하며, 구조가 조금만 바뀌어도 건강에 영향을 미칠 수 있습니다. 현재의 진단 도구는 유사성으로 인해 건강한 단백질과 질병을 유발하는 단백질의 차이를 구별하는 데 어려움을 겪고 있습니다. 그러나 나노기공 장치는 개별 단백질 간의 미묘한 차이를 측정할 수 있어 의사가 보다 개인화된 치료법을 설계하는 데 도움이 될 수 있습니다.

또한 이 연구는 과학자들이 생물학에서 오랫동안 추구해 온 목표인 단일 분자 단백질 서열 분석을 달성하는 데 더 가까워지도록 해줍니다. DNA 서열분석이 유전적 지시사항을 밝히는 반면, 단백질 서열분석은 그러한 지시사항이 실시간으로 어떻게 표현되고 수정되는지에 대한 통찰력을 제공합니다. 이러한 깊은 이해를 통해 질병을 조기에 발견하고 각 환자에게 맞춤화된 보다 정확한 치료법을 얻을 수 있습니다.

Freedman은 “단백질 서열 분석을 개발하는 데는 많은 추진력이 있습니다. DNA만으로는 얻을 수 없는 통찰력을 제공할 것이기 때문입니다.”라고 말했습니다. "나노기공을 사용하면 이전에는 불가능했던 방식으로 단백질을 연구할 수 있습니다."

나노기공은 국립 인간 게놈 연구소(National Human Genome Research Institute)가 Freedman에게 수여한 자금 지원 연구 보조금의 초점입니다. 이 연구에서 그의 팀은 단일 단백질 서열을 분석하려고 합니다. 이 연구는 분자, 바이러스 및 기타 나노 크기의 실체를 감지하기 위해 나노 기공의 사용을 개선하는 Freedman의 이전 연구를 기반으로 합니다. 그는 이러한 발전을 분자 진단과 생물학 연구가 미래에 어떻게 변화할 것인지를 보여주는 신호로 보고 있습니다.

Freedman은 “건강과 질병을 유발하는 분자에 대해 아직 배울 것이 많습니다.”라고 말했습니다. "이 도구는 우리를 맞춤형 의료에 한 걸음 더 가까이 다가가게 해줍니다."

Freedman은 나노포어 기술이 곧 연구 및 의료 도구 모두에서 표준 기능이 될 것으로 기대합니다. 장치가 더욱 저렴해지고 접근 가능해짐에 따라 집이나 진료소에서 사용되는 일상적인 진단 키트에서 그 자리를 찾을 수 있게 되었습니다.

“나는 나노기공이 일상생활의 일부가 될 것이라고 확신합니다.”라고 Freedman은 말했습니다. "이 발견은 앞으로 우리가 그것을 어떻게 사용할 것인지를 바꿀 수 있습니다."

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/01/250102162248.htm