- 소고기 수입 제한 규제 기여 및 방역 체계 효율성 제고

- 펩타이드 기반 p21 항체로 광우병 위험 신속 진단

- 소 월령 판별 바이오센서 개발로 방역 규제 기여

▲공동연구자 사진 (왼쪽부터) 정봉진 박사후연구원(제1저자), 최종순 책임연구원(교신저자)

국내 연구진이 펩타이드 기반 p21 특이적 항체를 이용해 광우병(Bovine Spongiform Encephalopathy, 이하 BSE) 위험을 평가하는 새로운 진단법을 개발했다. 이번 연구는 동아시아 국가에서 30개월 이상 소의 수입을 제한하는 현행 방역 규제에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

한국기초과학지원연구원(이하 KBSI) 질환표적연구그룹 최종순 박사, 디지털오믹스연구부 정봉진 박사 연구팀이 p21 단백질을 바이오마커로 활용하여 소 월령 판별 바이오센서로 적용해, 광우병(BSE) 위험을 신속하게 평가할 수 있는 진단법을 개발했다고 밝혔다.

* p21 : 세포 주기를 조절하는 단백질로, 나이에 따라 발현 패턴이 변화함

* 바이오마커 : 단백질이나 DNA, RNA 등을 이용해 변화를 알아낼 수 있는 지표

* 바이오센서 : 생물의 효소나 항체 등이 특정한 물질과만 반응하는 것을 이용하여 물질의 성질을 조사하는 데 사용

▲그림 1. 다양한 연령대의 소고기 샘플에서 소 p21 항체를 이용한 p21 단백질 발현 비교

(A) 소고기 샘플에서 소 p21 단백질의 면역블롯 분석 (B) 소 p21 발현 수준의 정량 분석

광우병(BSE)은 소의 뇌와 신경 조직에 비정상적인 프라이온 단백질이 축적되어 발생하는 치명적인 질병으로, 감염된 소는 신경계 이상을 보이며 결국 사망에 이른다. 특히, 광우병(BSE)은 인간에게도 전염될 가능성이 있으며, 인간에서 변종 크로이츠펠트-야콥병(Variant Creutzfeldt-Jakob Disease, vCJD)이라는 신경 퇴행성 질환을 유발할 수 있어 더욱 주의가 필요하다.

* 프라이온 단백질 : 단백질의 구조를 변형시켜 비정상적인 구조를 가진 단백질로, 이는 단백질의 3차원적인 접힘(folding)에서 변화가 일어났기 때문이다. 이러한 병적 형태는 매우 안정적이며, 스스로 다른 정상 단백질에 접촉해 동일한 비정상적인 구조로 변환을 유도하는 특징이 있다. 주로 뇌와 신경 조직에 축적되며, 신경세포의 파괴와 조직의 스펀지화(spongiform)를 초래하여 신경퇴행성 질환을 발생시킨다.

광우병(BSE)의 위험성으로 인해 여러 국가에서는 30개월 이상의 소고기 수입을 제한하고 있으며, 이를 효과적으로 판별할 수 있는 진단법이 방역 체계에서 매우 중요하다. 현재 알려져 있는 판별법은 전문가의 숙련도에 따라 결과가 달라져 정확성이 떨어질 수 있고 고가의 장비와 시간이 요구되어 검사 결과가 나올 때까지 상당한 시간이 소요된다. 이런 이유로 현장에서 사용하기 어려운 한계가 있어, 간편하고 정확한 현장 검사법에 대한 수요가 높다.

▲그림 2. LFA 칩 제작 및 두 종류의 p21 항체를 이용한 소고기 샘플에서의 p21 발현 비교 

(A) LFA의 개략적인 다이어그램 (B) 재조합 p21 단백질의 연속 농도에 따른 LFA 이미지

(C) p21 폴리클로날 항체(p21 pAb)와 펩타이드 모노클로날 항체(p21 cAb)를 사용한 p21 단백질의 민감도및검출 한계(LOD) 비교

KBSI 최종순 박사, 정봉진 박사 연구팀은 과거 연구에서 자체 발굴한 특이적 특성을 가진 p21 단백질 바이오마커의 활용에 주목했다. 특히 소고기에서 30개월 이후 p21 발현이 급격히 감소하는 점을 통해 그 특이성을 US 및 국내 특허로 인정받았으며, 이를 바이오마커로 활용해 월령 판별 바이오센서로 적용하고자 했다.

이에 연구팀은 펩타이드 기반 p21 특이적 항체를 이용해 측방유동분석법(Lateral Flow Assay, LFA)을 활용하여 p21을 검출하는 센서를 개발했다. 펩타이드 구조의 항체는 기존 항체에 비해 분자 접근성이 높아 민감도가 향상되었다. 이 센서는 p21 발현을 10분 이내로 신속히 측정할 수 있으며, 소고기 샘플에서 p21 발현 수준을 통해 나이를 판별할 수 있게 하고 검출 한계는 0.1 ng/mL다. 일반적인 LFA 센서보다 10배 정도 높은 수준으로, 고감도 현장 진단에 최적화되어 있다.

* 펩타이드 기반 항체의 이점 : 펩타이드는 크기가 작고 특정 항원에 대한 높은 특이성을 가지며, 구조적 접근성이 우수해 항체가 타깃 분자와 쉽게 결합할 수 있다. 이에 따라 높은 민감도와 정확도를 가진 진단 도구로 활용될 수 있다. 

* 측방유동분석법 : 측방유동분석법(Lateral Flow Assay, LFA)은 시료가 흡수지를 따라 측방으로 이동하면서 항원-항체 반응을 통해 대상 물질을 검출하는 현장 진단 기술이다. 주로 임신 테스트기와 코로나19 신속 항원 검사에 널리 활용되며, 15~30분 이내에 결과를 확인할 수 있는 신속하고 간편하며 비용 효율적인 방법이다.

이번 연구에서 9~33개월령 소고기 샘플을 분석한 결과, p21의 발현이 월령 증가에 따라 점진적으로 감소하였으며 특히 30개월 이후 발현이 기준 수준에 도달하여 광우병 위험이 있는 월령 판별에 효과적임을 확인했다.

최종순 박사, 정봉진 박사 연구팀은 “이 기술이 소의 월령 판별뿐만 아니라 다양한 현장 진단 분야에 응용 가능할 것”이라며, “개발된 기술은 소고기 수입 규제에 실질적인 도움을 줄 수 있을 뿐 아니라, 방역 체계의 효율성을 높이는 데 기여할 것으로 기대된다”고 밝혔다.

본 연구는 KBSI 환경 및 생물재난대응 분석기술 개발 사업의 지원으로 수행됐으며, 연구 결과는 분석기기․장비 분야 세계적 권위 학술지인 Sensors and Actuators B: Chemical誌 [논문명 : Lateral Flow Assay for Cattle Age Determination: Implications for Diagnosing Bovine Spongiform Encephalopathy, IF=8.00, JCR 상위 2%, 정봉진(제1저자), 최종순(교신저자)]에 11월 15일자로 게재되었다.