연세대학교(총장 서승환) 화공생명공학과 함승주 교수 연구팀이 바이러스와 융합이 가능한 플라즈모닉 나노 센서를 개발하고 이를 인플루엔자 A 바이러스 진단에 적용하여 신속 정확한 면역분석법을 발표했다.
호흡기를 통해 전파되는 인플루엔자 바이러스는 빠른 전파 속도를 가질 뿐만 아니라 수많은 변종 출현 가능성으로 인해 전 세계적으로 심각한 피해를 일으키는 유해인자로 알려져 있다. 코로나 바이러스 출현 이후로 바이러스 진단 분야에서 민감하고 신속한 센서가 발표 되어 왔으며 이와 더불어 감염력이 있는 활성 및 온전한 바이러스 형태 (virion)을 인식할 수 있는 탐지 도구의 필요성이 강조되고 있다.
연세대 함승주 교수팀이 개발한 센싱 플랫폼은, 금 나노입자 (GNP)를 내부에 담지하고 있는 융합성 고분자 소포 (plasmonic vesicle, PV)를 개발하고 이와 더불어 표적 바이러스 특이적 포획을 위한 바이오칩을 적용함으로써, 바이러스와의 융합 및 선택적 결합 반응을 통해 비색 검출이 가능한 면역분석법 (PVFIA)이다.
연구팀이 개발한 PVFIA 분석법은 두 가지 순차적 분석이 수행되는데, 먼저 유리 기판에 항체를 코팅한 바이오 칩에 표적 바이러스의 선택적 포획을 선행하고 이어서 플라즈모닉 나노센서를 처리하여 포획된 표적 바이러스에 막융합을 유도하게 되면 내부의 금 나노입자가 유리 기판에서 색상 변화를 일으켜 시각적 검출이 가능하게 된다. PVFIA는 표적 IAV를 검출하는데 탁월한 특이성을 보이며, 융합 조건과 GNP는 상당한 색상 변화를 유도하기 때문에 두 가지 연속 분석을 통합하여 낮은 검출 한계 (100.8 EID50/mL)와 우수한 신뢰도 (0.99)로 기존 면역 분석보다 만 배 더 높은 감도를 확보했다. 나아가 PVFIA를 기반으로 한 비색 검출은 타액이나 비강액에 적용이 가능하여 추후 현장 진단에 유망한 도구로 이용될 수 있다.
이번 연구는 환경산업부에서 주관한 실내공기 생물학적 위해인자 관리 기술개발사업 및 과학기술정보통신부에서 주관하는 나노소재기술개발사업의 지원을 받아 함승주 교수 연구팀의 이소정 연구원(공동 제 1저자), 문예솔 연구원(공동 제 1저자), 서울대 수의대 송대섭 교수 (공동 교신저자)와 함께 진행됐으며, 세계적인 과학 분야 권위지 (IF=13.3) ‘Small’에 24년 1월 25일(현지시간) 게재되었음과 더불어 연구의 우수성을 인정받아 표지 논문에 선정되었다.
A research team led by Prof. Seungjoo Haam of the Department of Chemical and Biological Engineering at Yonsei University (President Dong-seop Yoon) has developed a plasmonic vesicle-mediated fusogenic immunoassay (PVFIA) for colorimetric detection of influenza A virus.
Influenza viruses, transmitted through the respiratory tract, are known to be a serious and damaging agent worldwide, not only their rapid spread but also because of the potential for numerous variants to emerge. Since the emergence of the coronavirus, sensitive and rapid sensors have been announced in the field of virus diagnostics, highlighting the need for detection tools that can recognize active and intact viral forms (virions) that are infectious.
The sensing platform developed by the team of Professor Seungjoo Haam at Yonsei University is an immunoassay that enables colorimetric detection through fusion and selective binding reactions with viruses by developing fusible polymeric vesicles (plasmonic vesicles, PVs) containing gold nanoparticles (GNPs) and applying a biochip for targeted virus-specific capture.
The PVFIA assay developed by the researchers involves two sequential assays: selective capture of target viruses on a biochip coated with antibodies on a glass substrate, followed by treatment of the plasmonic nanosensor to induce membrane fusion of the captured target viruses, where the internal gold nanoparticles cause a color change on the glass substrate, enabling visual detection. PVFIA shows excellent specificity in detecting target IAVs. Since the fusion conditions and GNPs induce significant color changes, integrating two consecutive assays resulted in a sensitivity ten thousand times higher than that of conventional immunoassays with a low detection limit (100.8 EID50/mL) and excellent reliability (0.99). Furthermore, colorimetric detection based on PVFIA can be applied to saliva or nasal fluids, making it a promising tool for point-of-care diagnostics in the future.
This research was conducted by Dr. Sojeong Lee (first co-author) and Yesol Moon (first co-author) along with Prof. Seungjoo Haam’s research team, and Prof. Daesub Song (co-corresponding author) with the support of the Technology Development Project for Biological Hazards Management in Indoor Air Project funded by Korea Ministry of Environment and the Nanomaterial Technology Development Project promoted by the Ministry of Science and ICT. The work was published on January 25, 2024 (local time) in the prestigious journal of ‘Small’ and selected as a frontispiece cover.
Small (2024) (IF: 13.3)
Published: January 25, 2024
https://doi.org/10.1002/smll.202305748