연세대학교(총장 윤동섭) 화공생명공학과 함승주 교수 연구팀이 골드나노입자의 표면 개질과 효소 모방 작용을 동시 적용한 고민감 인플루엔자 A 바이러스 나노센서에 대한 연구를 발표했다.

인플루엔자 A바이러스는 2019년부터 최근까지 전세계적 피해를 끼친 코로나 바이러스를 잇는 차세대 팬데믹의 유력 후보로 손꼽히고 있으며, 호흡기로 감염되어 빠르게 전파되는 만큼 조기 진단을 위한 고민감 현장형 센서의 중요성이 강조되고 있다. 이에 인플루엔자 A바이러스를 진단하는 다양한 연구들이 발표되고 있지만, 현장형을 띄는 비색 진단 도구로서 고민감도를 가지는 진단법에 대한 필요성이 여전히 강조되고 있다.

연세대 함승주 교수팀이 개발한 해당 진단 시스템은, 금 나노입자에 SH-PEG-biotin을 이용해 개질함으로써, biotin과 강하게 결합하는 단백질인 avidin을 골드입자와 순차적 처리를 진행해 타겟 바이러스 주위에서 layering을 형성하게 한다. 골드입자와 avidin의 순차적인 처리 cycle을 반복함으로써 적은 타겟 바이러스임에도 증폭된 신호를 얻을 수 있다. 더불어 골드나노입자가 가진 효소모방작용을 통해, 기질을 처리했을때, 골드입자가 가진 붉은색의 신호보다 더 증폭된 푸른색 신호를 얻을 수 있다. 따라서 이중으로 증폭된 신호를 얻음으로써 민감도가 높은 나노센서를 구현하였다.

연구팀이 개발한 해당 진단법은 3가지의 절차가 진행되는데 먼저 96 플레이트상에 항체를 코팅한 뒤, 타겟 바이러스가 sandwich 형태로 결합하는 pre-amplified step이다. 이때 타겟 바이러스에 결합하는 detection antibody에는 biotin이 결합 되어있다. 두번째로 avidin과 표면개질된 골드입자를 순차적으로 처리해주어 layering을 통한 신호 증폭을 이루는 1st amplification, 골드입자의 효소 모방작용으로 최종 신호 증폭을 이뤄내는 2nd amplification이다. 이러한 연쇄적인 증폭 효과로 101.29 EID50/mL 라는 우수한 LOD (limit of detection)을 얻을 수 있었으며, 이는 상용화된 rapid kit 보다 우수함을 보였다.

이번 연구는 과학기술정보통신부에서 주관한 나노 소재 기술개발사업과 환경산업부에서 주관한 실내공기 생물학적 위해인자 관리 기술개발사업의 지원을 받아 함승주 교수 연구팀의 정은지 연구원 (공동 제 1저자), 박근선 연구원(공동 제 1저자), 서울대 수의대 송대섭 교수 (공동 교신저자)와 함께 진행됐으며, 세계적인 과학 분야 권위지 (IF=15.9) ‘Small structures’에 24년 4월 7일(현지시간) 게재되었음과 더불어 연구의 우수성을 인정받아 표지 논문에 선정되었다.

A research team led by Professor Seungjoo Haam from the Department of Chemical and Biomolecular Engineering at Yonsei University (President: Dongseop Yoon) has published a study on a highly sensitive influenza A virus nanosensor that applies surface modification of gold nanoparticles and enzyme-mimicking property.

Influenza A virus is considered a candidate for the next global pandemic, following the SARS-CoV-2 virus that caused worldwide damage from 2019 to recent years. Given that it is a respiratory infection that spreads rapidly, the importance of high-sensitivity and on-site sensors for early diagnosis has been emphasized. Although various studies on diagnosing influenza A virus have been published, there is still a pressing need for highly sensitive colorimetric diagnostic tools suitable for field use.

The diagnostic system developed by Professor Seungjoo Haam's team at Yonsei University involves modifying gold nanoparticles with SH-PEG-biotin, allowing for a strong bond with avidin, a protein with a high affinity for biotin. By sequentially treating the gold nanoparticles with avidin, they create a layering effect around the target virus. By repeating this cycle of sequential treatment with gold nanoparticles and avidin, the system amplifies the signal even when detecting a small amount of the target virus. Additionally, through the enzyme-mimicking property of gold nanoparticles, the system can produce a strong blue signal that is even more amplified than the red signal typically associated with gold nanoparticles when processing a substrate. This dual amplification approach results in a highly sensitive nanosensor with increased sensitivity to detect the influenza A virus.

The system involves three key steps. First, they coat a 96-well plate with an antibody, creating a pre-amplification step where the target virus binds in a sandwich configuration. In this step, the detection antibody that binds to the target virus is conjugated with biotin. Next, in the 1st amplification, they achieve signal amplification by sequentially treating with avidin and surface-modified gold nanoparticles, resulting in a layering effect. Finally, in the 2nd amplification, the enzyme-mimicking action of the gold nanoparticles further amplifies the signal. This results in a final, more intense signal. This cascading amplification process leads to an impressive limit of detection (LOD) of 101.29 EID50/mL, demonstrating superior sensitivity compared to commercially available rapid test kits.

The research was conducted by Eunji Jeong (co-first author), Geunsun Park (co-first author) of Professor Seungjoo Haam's research team, and Professor Daesup Song from Seoul National University's College of Veterinary Medicine (co-corresponding author) with the support of the the Nano Material Technology Development Program of the Ministry of Science and ICT and the Indoor Air Biological Hazard Management Technology Development Program of the Ministry of Environment.

The research was published on April 7, 2024 (local time), in 'Small Structures,' a prestigious scientific journal with an impact factor of 15.9. Additionally, the study was selected as the cover article, further acknowledging its excellence.

Small (2024) (IF: 15.9)
Published: 07 April 2024
https://doi.org/10.1002/sstr.202470014