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학술

코로나19 진단키트 성능, 표준물질로 정확성 높여

국내 최초 코로나19 바이러스 유전자 표준물질 개발, 중국 이어 세계 두 번째

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- 코로나19 진단 효율성 및 신뢰성 높일 수 있는 길 열려



한국표준과학연구원(KRISS, 원장 박현민)과 신종바이러스(CEVI) 연구단(단장 김범태)은 국내 최초로 신종 코로나바이러스 감염증(COVID-19·코로나19) 바이러스 유전자 표준물질 개발에 성공했다.

코로나19 바이러스 유전자 표준물질 개발은 중국에 이어 세계 두 번째다. 코로나19 양성 판정 불확실성을 최소화하고, 진단의 효율과 신뢰성을 크게 향상시킬 것으로 기대된다.

코로나19는 ‘실시간 유전자 증폭검사(RT-PCR)’를 통해 진단한다. RT-PCR 검사는 진단시약 안에 있는 ‘프라이머’라는 물질이 코로나19에만 나타나는 특이 DNA 부위에 달라붙어 이를 증폭시킨다. 이때 증폭 과정을 얼마나 거쳤는지 의미하는 Cq(역치 사이클)값이 일정 기준값보다 낮으면 양성, 높으면 음성으로 판정한다.

문제는 진단키트마다 기준값이 다르다는 데 있다. 진단키트 수급 문제·환자 급증 등 매번 같은 제품을 사용할 수 없는 환경에서, A 제품과 B 제품의 양성 여부가 다르다면 어떤 값을 믿어야 할지 판단하기 어렵다. 코로나19 바이러스 유전자에 대한 정확한 정보를 담고 있는 표준물질이 있다면 이를 해결할 수 있다.

표준물질은 흔히 ‘답안지가 주어진 문제’에 비유된다. 표준물질(문제)과 정확한 측정결과(답안지)가 주어진다면 업체는 자사 및 타사 제품과 비교를 통해 정확성을 개선할 수 있다.

연구팀은 역전사 디지털 중합효소 연쇄반응(Reverse Transcription Digital PCR, RT-dPCR)을 이용, 코로나19 바이러스 표준물질 개발에 성공했다. 이 방법은 유전자의 절대정량이 가능해, 검체 내 코로나19 바이러스의 존재 유무뿐만 아니라 개수까지 정확히 추정할 수 있다. 

연구팀이 개발한 코로나19 바이러스 표준물질은 전체 유전체의 약 90%를 포함하고 있다. 약 10%를 포함하고 있는 중국의 표준물질에 비해 훨씬 더 많은 양의 유전자 정보를 담고 있어, 바이러스 변이에 빠르게 대응할 수 있다.

개발에 성공한 표준물질은 국내에서 사용 중인 코로나19 진단키트에 곧바로 쓸 수 있다. 수출량이 꾸준히 증가하고 있는 국산 진단키트의 신뢰성과 정확도 향상에 도움이 될 것으로 전망된다.



KRISS 미생물분석표준팀 김세일 책임연구원은 “CEVI 연구단과의 협업으로 코로나19 바이러스 유전자 및 유전체 확보가 가능했다”라며, “코로나19와 더욱 유사한 바이러스 입자 형태의 표준물질 개발도 진행중”이라고 밝혔다.



KRISS 바이오의약품분석표준팀 배영경 책임연구원은 “이번에 개발한 표준물질은 최근 활발히 수출되는 국산 진단키트의 품질관리에도 도움이 될 것”이라고 말했다.

KRISS 박현민 원장은 “이번 성과는 올해 팀 단위 중심의 조직개편 이후 두팀의 전문성이 만나 이뤄낸 첫 가시적 성과”라며, “앞으로도 국가 현안 대응 및 국민체감형 연구성과 창출에 노력하고, 국가기술표준원과 협력해 항원‧항체 표준물질 개발에 만전을 기하겠다”라고 밝혔다.

이번 연구는 KRISS 주요사업과 국가과학기술연구회 융합연구단사업의 지원으로 수행됐다.


연구성과 추가 설명

 ○ 용어 설명

  * 중합효소 연쇄반응(Polymerase Chain Reaction; PCR)
  시험관 내에 있는 특정 유전자만 선택적으로 증폭하는 반응이다. 중합효소 연쇄반응은 특정 유전자를 대량으로 얻거나 특정 유전자의 유무, 돌연변이 검출 등 다양한 용도에 활용될 수 있다.

  * 역전사 정량 중합효소 연쇄반응
  (Reverse Transcription Quantitative Polymerase Chain Reaction; RT–qPCR)
  중합효소 연쇄반응 기술의 일종으로 역전사 반응(RNA를 주형으로 DNA를 만드는 과정) 후 중합효소 연쇄반응을 수행한다. 이 과정에서 특정 염기서열을 가진 유전자가 증폭되며 만들어지는 형광 신호를 실시간으로 읽어 특정 유전자의 존재 유무를 판단한다. 기술의 보편성과 진단 비용·시간에서 장점을 가지고 있어 널리 사용되고 있다. 그러나 이 기술은 유전자의 양을 상대적으로 비교하기 때문에 진단 시 양성과 음성 기준물질(혹은 교정물질)이 필요하다. 

  * 역전사 디지털 중합효소 연쇄반응
  (Reverse Transcription Digital Polymerase Chain Reaction; RT–dPCR)
  중합효소 연쇄반응 기술의 일종으로 반응액을 미세방울로 만들거나 작은 구획으로 분리시켜 관심 유전자를 증폭하는 기술. 반응이 끝난 후 형광신호를 내는 방울/구획의 개수를 바탕으로 유전자의 개수를 측정할 수 있는 RT-qPCR보다 정밀한 핵산증폭기술이다. 이 기술은 앞서 설명한 역전사 실시간 중합효소 연쇄반응에 비해 정밀도와 반복성이 높아, 이번 코로나19 바이러스 유전자 표준물질 개발에 사용되었다.


 ○ 코로나19 바이러스 유전자 표준물질 제조과정 설명





▲ KRISS에서 개발한 코로나19 바이러스 유전자 표준물질


○ 어디에 사용할 수 있나?

 1. 코로나19 바이러스 핵산증폭기술 기반 진단의 정확도 향상 및 신뢰성 확보
  코로나19 진단 현장에서는 검체에서 코로나19 RNA 존재의 유무를 판단하기 위하여 역전사 실시간 중합효소 연쇄반응 기술이 쓰이고 있다. 이번에 개발된 코로나19 바이러스 RNA 표준물질의 기준값인 유전자 개수과 상용진단키트 사용 시 얻는 정보를 함께 이용하면, 검체 내 코로나19 RNA 존재의 유무뿐만 아니라 개수까지 추정할 수 있다. 또한, 본 표준물질의 유전자 개수를 기준으로 삼으면, 앞으로 위음성(감염 됐으나 아니라고 판정) 또는 위양성(감염되지 않았으나 감염으로 판정)이 되는 오류를 줄일 수 있을 것으로 기대된다.

  2. 새로운 진단키트 개발 및 검증
  향후 핵산증폭기술 기반 진단키트의 개발과 성능평가에 활용될 수 있다.

  3. 국내 검사기관의 정확도 관리
  현재 코로나19 진단검사기관은 진단에 필요한 모든 과정에 대해 정기적인 심사를 받는다. 본 표준물질이 가진 정확한 측정값을 이용, 검사기관의 정확도 관리에 활용될 수 있다.

  4. 코로나 관련 표준물질 국산화
  본 표준물질은 국내 측정표준의 대표기관인 한국표준과학연구원에서 개발되어 국제적인 수준의 측정정밀도를 갖는다. 유사한 형태의 상용 물질이 국외에서 개발되었으나 본 표준물질이 갖는 높은 정밀도와 넓은 활용도(유전체 커버리지)를 따라가지 못한다.


○ 연구 에피소드

 - 신종바이러스(CEVI) 연구단과 협력 연구한 내용?
  2016년 8월에 발족한 CEVI 융합연구단에서는 인간 알파코로나 바이러스, 메르스 코로나바이러스(MERS-CoV)를 포함한 다양한 인간 베타코로나 바이러스의 다양한 진단법 및 유전체 분석법을 개발하는 일을 했습니다. 약 4년의 CEVI 연구단 참여를 통해 코로나바이러스에 유전자 및 유전체를 확보했고, 바이러스 진단에 관한 다양한 경험과 정보를 획득할 수 있었습니다.

 - 미생물분석표준팀과 바이오의약품분석표준팀이 협력 연구한 내용?
  올해, 팀 단위로 조직 개편되어 74개 연구팀이 구성되었습니다. 본 연구의 성공적인 수행은 바이러스진단법에 대한 전문적인 지식을 가진 미생물분석표준팀과 이번에 개발한 표준물질 측정에 필요한 디지털 PCR 기반 유전자 절대정량의 국제적 동등성을 제공할 수 있는 바이오의약품분석표준팀이 가진 전문성을 통해 성과를 창출할 수 있었습니다.


○ 지원사업 정보
- KRISS 주요사업, 국가과학기술연구회 융합연구단사업




연구성과 사진



▲ KRISS 김세일 책임연구원이 코로나19 바이러스 유전자 표준물질을 제조하고 있다.



▲ KRISS 연구팀이 코로나19 바이러스 유전자 표준물질을 제조하고 있다.



▲ KRISS 연구팀
(왼쪽 위부터 시계방향으로 김세일 책임연구원, 유희민 선임연구원, 배영경 책임연구원, 이다혜 선임연구원)



연구팀 프로필 



김세일 책임연구원

1. 인적사항
·    성명 : 김세일 
·    소속 : 한국표준과학연구원 화학바이오표준본부 바이오분석표준그룹 미생물분석표준팀
·    직위 : 책임연구원
·    전화 : 042-868-5619
·   e-mail : stapler@kriss.re.kr

2. 학력
·    연세대학교 생명공학과 학사(1997-2001)
·    연세대학교 생명공학과 석사(2001-2003)
·    서울대학교 생명과학부 박사(2003-2009)

3. 경력사항
·    2013~현재 : 한국표준과학연구원 책임연구원 
·    2017~현재 : 과학기술연합대학원대학교 생물분석학과 겸임교수
·    2017~현재 : 한국화학연구원 겸임연구원
·    2018~2020 : 국가지식재산위원회 민간위원
·    2009~2013 : 한국과학기술연구원 박사후연구원

4. 수상실적
·    국가지식재산위원회 감사패

5. 전문 분야 정보
·    미생물학, 분류학, 미생물 유전체 분석, 미생물 군집 분석
 
6. 발표논문 및 특허
·    SCI 논문 26편
·    코로나바이러스 관련 특허 3건 및 기타 특허 2건




배영경 책임연구원

1. 인적사항
·    성명 : 배영경
·    소속 : 한국표준과학연구원 화학바이오표준본부
              바이오분석표준그룹 바이오의약품분석표준팀
·    직위 : 책임연구원
·    전화 : 042-868-5292
·    e-mail : ybae@kriss.re.kr

2. 학력
·    서울대학교 분자생물학과 학사 (1997-2002)
·    University of Wisconsin-Madison, 유전학 박사 (2002-2008)
·    California Institute of Technology, 박사후연구원 (2008-2014)

3. 경력사항
·    2014~ : 한국표준과학연구원 책임연구원 
·    2016~ : KAIST 생명과학과 겸임교수 
·    2008-2014 California Institute of Technology 박사후연구원 
 
4. 수상실적
·    2010-2012 American Heart Association Postdoctoral Fellowship

5. 전문 분야 정보
·    유전학 및 분자생물학 
 
6. 발표논문 및 특허
·    SCI 논문 주저자 10편 및 공동저자 8편




유희민 선임연구원

1. 인적사항
·    성명 : 유희민 
·   소속 : 한국표준과학연구원 화학바이오표준본부
            바이오분석표준그룹 미생물분석표준팀
·    직위 : 선임연구원
·    전화 : 042-868-5362
·    e-mail : hmy@kriss.re.kr

2. 학력
·    충남대학교 생명과학부 학사(2003-2007)
·    서울대학교 생명과학부 석사(2007-2009)
·    서울대학교 생명과학부 박사(2009-2014)

3. 경력사항
·    2017~현재 : 한국표준과학연구원 선임연구원 
·    2015~2017 : 미국 국립보건원(NIH)/미국 국립 암연구소 (NCI) 박사후연구원
·    2014~2015 : 서울대학교 박사후연구원

4. 수상실적
·    2015 – 2017  Korean Visiting Scientist Training Award (KVSTA, KHIDI)
·    2016   58th American Society of Hematology (ASH) Annual meeting 우수 초록상 수상
·    2015   65th Lindau Nobel Laureate Meeting 한국인 대표 (Lindau, Germany)
·    2010   Seoul Science Fellowship
·    2007 – 2012  Brain Korea 21 Scholarship

5. 전문 분야 정보
·    분자세포생물학, 암 유전체학, 미생물 분석
 
6. 발표논문 및 특허
·    SCI 논문 31편
·    특허 3건
·    코로나바이러스 관련 논문 1건 진행 중




이다혜 선임연구원

1. 인적사항
·    성명 : 이다혜
·    소속 : 한국표준과학연구원 화학바이오표준본부
              바이오분석표준그룹 바이오의약품분석표준팀
·    직위 : 선임연구원
·    전화 : 042-868-5790
·    e-mail : dahye.lee04@kriss.re.kr

2. 학력
·    한국과학기술원(KAIST) 생명과학과 학사(2004-2008)
·    한국과학기술원(KAIST) 생명과학과 석박사 통합 과정(2009-2016)
 
3. 경력사항
·    2019~현재 : 한국표준과학연구원 선임연구원 
·    2016~2019 : 한국과학기술연구원 박사후연구원

4. 수상실적
·    2016년 한국분자세포생물학회 서린바이오사이언스 우수박사학위논문상  

5. 전문 분야 정보
·    마우스 유전학, 암 발생학, 분자·세포생물학 
 
6. 발표논문 및 특허
·    SCI 논문 주저자 3편 및 공동저자 SCI 논문 14편
·    국내 특허 1건




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