유전자 100만 개에서 암유발 돌연변이 1개 찾는 '디지털PCR' 양산공정 세계 첫 개발

100만 개의 정상 유전자와 암을 일으키는 변이 유전자가 섞여 있더라도 돌연변이 만을 정확히 가려내는 디지털 PCR(중합효소연쇄반응) 양산기술이 처음 개발됐다. 나노종합기술원은 나노바이오개발센터(센터장 이태재) 연구팀(이문근 책임연구기술원)이 마이크로웰 성형 디스크에 기반한 '차세대 암진단 통합형 디지털 PCR 상용화'에 성공했다고 5일 밝혔다. 마이크로웰은 마이크로 크기로 매우 작은 우물 모양의 방(well)에 DNA·RNA·세포 등을 하나씩 담아 서로 섞이지 않게 분리, 보관하는 기술이다. PCR·단일세포 분석 등에 주로 쓰인다. 마이크로웰 디스크 제조기술은 반도체 MEMS(미세전자 기계시스템) 기반의 임프린팅 공정기술을 바탕으로 차세대 정밀의료기기인 디지털 PCR 장비의 핵심부품인 마이크로웰 디스크 내면에 수만 개의 100~200μm 크기의 마이크로웰을 한 번에 대량 생산할 수 있는 기술이다. 마이크로웰 내 시료의 유전자를 응집하고 증폭시켜 암 유전 정보를 정밀하고 정량적으로 분석한다. 그동안 관련 업계는 '0'과 '1'의 디지털 개념을 적용한 디지털 PCR을 암 유전자 변이 탐지 의료기기로 활용하기 위해 치열한 개발 경쟁을 펼쳐왔다. 그러나 미세한 웰에 시료를 빠짐없이 안정적으로 응집시키는 기술적 난이도로 인해 상용화는 어려웠다. 이문근 나노종합기술원 나노바이오개발센터 책임연구기술원은 "반도체 임프린팅 공정기술을 응용, 높은 양산성(1백만개/년)과 완성도(생산수율 99%)를 확보함으로써 세계 최초로 제품 양산을 본격적으로 추진할 수 있는 계기를 마련했다"고 말했다. 이 책임연구기술원은 "마이크로웰 분석 원천기술을 보유한 레보스케치의 디지털 PCR(제품명 digiQuark)의 형광신호 감도와 성능을 획기적으로 향상시켜 기존 PCR 대비 1,000배 높은 민감도로 암 유전자 분석과 조기암 진단을 가능하게 하는 정밀의료기기를 완성했다"고 설명했다. 기존 PCR은 암을 일으키는 유전자 변이 검출 정확도가 통상 1~0.1%로 최대 1,000개에서 1개를 정확히 가려낼 수 있다. 반면 이번에 개발한 디지털 PCR 기술은 이보다 1,000배 더 정확한 100만분 개의 유전자에서 변이 1개를 가려낼 수 있다. 연구팀은 디지털 PCR 글로벌 경쟁사 제품에서 흔히 발견되는 '레인 현상(Rain Problem, 증폭 신호와 비증폭 신호가 불명확하게 겹치는 현상)'을 원천적으로 해결, 극미량의 암 유전자 변이도 오류 없이 명확하게 검출해 내는 탁월한 성능을 나타냈다고 부연 설명했다. 기술이전을 주도한 이태재 나노바이오개발센터장은 "시약공정 연구가 아직 남아 있지만, 이론적으로는 모든 암 판별이 가능하다"며 "현재 FDA(미국식품의약국)와 국내 승인을 추진 중"이라고 덧붙였다. 연구성과는 국제 학술지 네이처 사이언틱 리포트(2024.5)에 게재됐다. 올해 9월부터는 미국 하버드 메디컬 스쿨(MGH)에서 다인종 대상 조기 암 검출 기술 공동 연구 핵심장비로 활용 중이다. 과기정통부 이강우 원천기술과장은 "이번 성과는 나노종기원의 혁신기업 양산시제품개발사업과 과기정통부의 국산연구장비 기술력강화사업 지원으로 이루어졌다"며 "기술개발 → 시제품 실증 → 양산화 스케일업으로 이어진 대표적인 연구장비 국산화와 핵심부품의 상용화 동시 달성 사례"라고 평가했다. 지난 2일 나노종기원으로부터 이 기술을 이전받은 레보스케치 이성운 대표는 "지난 5년간 나노종기원의 헌신적인 협력과 상용화 기술개발 역량이 없었다면 핵심부품 양산 기술 확보는 불가능했을 것"이라며 "이번에 마련된 고품질 양산 기반을 통해 하버드 의대와의 공동연구는 물론, 글로벌 정밀의료 시장에서 K-바이오의 역량을 드러내는 계기가 될 것"으로 기대했다.