나노포어 센서, 인플루엔자 바이러스 검출하는 고감도 센서 개발

                                  인터뷰 - 토모지 가와이 박사

오 사카대학 산업과학연구소의 가와이 토모지 특임교수 연구팀이 지난해 말 개발한 나노포어(Nanopore) 센서는 바이오센서와 환경 센서 그 경계선에 있는 특별한 센서로 주목을 받고 있다.

인플루엔자 바이러스(A형, B형, A아형 등)를 식별한다는 점에서 의료 쪽에 가까운 바이오 센서이면서 그 응용범위가 넓기 때문에 환경 센서를 포괄한다. 연구팀을 이끈 토모지 가와이(Prof.Dr. Tomoji KAWAI) 교수는 대학에서 줄곧 진행해 온 바이러스, 세균 검출 연구가 어느 정도 완성되었기 때문에 이번에 상품화에 도전하게 되었다고 말했다.

연구팀은 직경 300나노미터의 구멍을 뚫은 수십 나노미터 두께의 질화실리콘 막을 통과하는 이온 전류를 측정하는 나노포어(Nanopore) 법을 이용했다. 말 그대로 미세한 나노구멍을 통과하는 전류로 바이러스를 구분한다. 이 방법을 이용하면 인플루엔자 바이러스가 소량(10개 이하) 존재하는 상태에서도 검출 가능하다. 검출된 바이러스를 식별하는 데는 인공지능(AI)을 활용했다. 기계학습에 의한 패턴 인식 기술이 이온 전류 신호를 분석한다. 그 결과 인플루엔자 바이러스 입자 1개는 72%, 20개 이상은 95% 상회하는 정확도를 나타낸다. (이 연구 성과는 11월 2일 영국 과학 잡지 「Scientific Reports」에 공개됐다)

기존의 면역 크로마토그래피 검사 키트에 나타나는 마커의 유무를 숙련자가 육안으로 판단하는 독감 판정 방식과 비교하면 정확도와 시간이 대폭 개선되는 셈이다.

지난 4월말, 국내 기업 및 기관과의 협력 방안을 논의하기 위해 방한 한 가와이 박사를 만나 개발 배경과 자세한 기술을 들을 수 있었다.


_나노포어 센서는 어떻게 연구하게 되었나. 언제 상품화 할 계획인지.

원래 대학에 소속되어 기초 연구를 하고 있다. 지금까지 DNA 분석을 하고 있는데, 결과물을 벤처기업과 연계해서 연구하고 있다. 내 제 기초 연구는 바이러스, 세균을 검출하는 것이고 이 연구들이 어느 정도 완성되었기 때문에 상품화하려고 한다.

오사카 대학이 벤처회사에 출자해 2018년 9월에 설립되었다. 칩을 만드는 회사와 측정, 해석하는 회사들이 연계해서 디바이스를 만들었다. 제품은 4월부터 판매하고 있다.

_일종의 바이오센서인가. 고감도 센서라는 말을 사용한 기준은 무엇인가.

그렇다. 궁극적인 고감도 센서이다. 바이러스 하나하나를 모두 확인하여 이것이 A형 인플루엔자인지, B형 인플루엔자인지를 식별한다. 바이러스 입자 한 개보다는 10개 이상의 입자를 봤을 때 더 정확해진다.



_인공지능으로 이온 전류 신호를 분석한다고 했는데, 이는 어떤 의미인가.

바이러스를 계측하고 측정하기 위해 인공지능을 처음 이용한 사례이기 때문이다. 인공지능이 실험으로 얻어진 데이터를 해석하는데 이용된 것은 처음이다. 인플루엔자 바이러스 A, B형 그리고 돌연변이 DNA까지 이것들을 분석하는데 인공지능을 쓰고 있다.

_어떤 종류의 바이러스까지 검출할 수 있는가. 이를테면 조류 바이러스나 메르스 같은 신종 독감 바이러스도 식별할 수 있는가.

인플루엔자, 헤르페스, 코로나 등 7종류의 바이러스를 검출하고 있다. 조류 바이러스나 메르스 같은 새로운 바이러스 검출도 추가할 수 있으나 아직은 제품화 초기 단계이기 때문에 필요성을 느끼지 못하고 있다. 현재 검출할 수 있는 바이러스는 15분 이내에 식별이 가능하다. 새로운 바이러스나 새로운 형태의 세균 검출도 가능하다.


"바이러스를 계측하고 측정하기 위해
인공지능을 처음 이용한 사례이다.
실험으로 얻어진 데이터를 해석하는데
인공지능이 이용된 것은 처음이다."


_바이러스를 검출하는 원리는 무엇인가. 간단하게 설명한다면.

바이러스가 수 백 나노미터(바이러스는 보통 300나노미터 이하)의 나노 구멍을 통과하면서 발생시키는 미세한 전류를 측정하는 것이다. 구멍을 통과하면 신호 자체는 모두 비슷하게 보인다. 그 패턴을 분석한 데이터를 인공지능으로 모두 학습시켰기 때문에 빠른 시간 안에 분석할 수 있다. 앞서 얘기한 새로운 바이러스도 그 안의 DNA가 조금씩 바뀐 것인데, 나노 구멍을 지날 때 생기는 미세한 전류의 변화로 판별할 수 있다. 파형들의 차이점을 인공지능으로 판단한다.

_AI 프로그램은 직접 개발한 것인가.

연구팀이 위치한 오사카 대학의 전문 AI연구소와 공동으로 개발했다.

_비지니스 모델은 모델은 무엇인가. 한국에서도 이 특허를 도입해서 개발할 수 있나

가능하다. 장비를 가져다 쓸 수 있고 우리가 개발한 기술을 사용해 칩을 만들어도 된다. 예를 들어 식중독 검출이나 자동차 핸들의 오염도를 파악하는데 사용할 수 있다. 필요한 곳에 응용하면 된다. 사용하면 된다. 현재는 이 기술을 가지고 연구소 레벨에서 응용 기술을 개발하고 있다. 연구소에서 기술을 도입해 디바이스를 개발하고 있지만 아직은 크기가 커서 소형화를 위해서는 시간이 필요한 단계이다.

_한국은 의료 분야의 규제가 엄격해서 이런 종류의 센서를 상품화하기 쉽지 않다. 일본은 어떤가.

그것은 일본도 마찬가지다. (의료용보다는) 간편 검사에 활용하면 된다. 예를 들어, 감기가 심해지기 전에 초기 단계에서 바이러스를 식별한다면 초기에 조치를 취할 수 있다. 확실한 간이검사라고 할 수 있다. 지금은 의료용 기기로 쓰는 것은 아니고, 그 전 단계에 쓰는 디바이스이다. 병원에서도 확진을 위해 쓰는 게 아니고, 그 전 단계에서 바이러스를 판단하는데 사용하면 된다. 다양한 바이러스를 쉽게 알아보고 싶을 때, 쓰는 환경 센서라고 생각하면 된다.


"갈수록 환경이 오염되고 있는 상황에서
현대인은 병균에 취약한 상태이다.
대부분의 원인이 나노입자인데 이런 것을
검출할 수 있는 수단에 관심이 가질 것으로 예상한다."


_자동차 핸들의 오염도를 파악할 수 있는 센서라는 것이 인상 깊은데.

앞으로 갈수록 카쉐어링이 많아질 것이다. 한 차량을 불특정 다수가 쓰는데, 앞서 운전한 사람이 어떤 병균을 가졌는지 모르는 일이다. 이럴 경우 간단하게 검사하여 바이러스 감염을 미리 방지할 수 있다. 갈수록 환경이 오염되고 있는 상황에서 현대인은 병균에 취약한 상태이다. 대부분의 원인이 꽃가루, 배출가스 등의 나노 입자인데 이런 것을 검출할 수 있는 수단에 관심이 가질 것으로 예상한다.

_디바이스의 가격 경쟁력도 중요할 것 같은데.

어떤 비지니스 모델이냐에 따라 하드웨어 디바이스가 달라질 것이다. 단지 연구용이라면 가격을 생각하지 않고 확실한 제품을 만들 수 있다. 하지만 가정용이라면 사정이 달라진다. 가격이 높으면 안 된다. 가격이 낮은 디바이스를 만들 수 밖에 없다. 결국 제품 사용 목적에 따라 제품을 만들어 가격 경쟁력을 가져 갈 것이다. 일본 업체가 이 기술을 도입해 디바이스를 만들었는데 처음에는 크기가 아주 컸는데 지금 소형화하고 있다. 1년 후에는 소형 디바이스를 내놓을 수 있을 것이다. 앞으로는 디바이스 신호처리 부분을 칩으로 만들면 크기도 작아지고 더 저렴해질 것이다.

_일반인이 쓰려면 시간이 얼마나 걸릴 것 같은가.

확실히 모르겠다. 지금은 연구용으로 주로 사용하기 때문에 여러 가지 데이터가 나오고 있는 단계이다. 1년 후에는 작은 칩으로 나올 예정이다. 칩이 작아지면 사용할 수 있는 분야가 많아진다. 그러면 2~3년 후에는 여러 분야에 판매될 것으로 보인다. 스마트폰에 적용된다해도 정확도는 다를 게 없다.

_한국에서는 어떤 분야, 어떤 사람들과 일하기를 원하는가.

고감도 바이러스 검출 센서를 사용하고 싶어하는 연구자들이나 이것을 여러 가지 용도로 사용하고 싶은 사람들이면 된다. 환경, 식품연구, 자동차, 국방 분야에도 응용할 수 있다. 필요하다면 자문해 줄 수 있다. 현재 한국 파트너는 KBH(www.koreabusinesshighway.com)이다.
 

나노포어(Nanopore) 센서 작동 원리는?
인플루엔자 바이러스 형태별로 파형 변화를 인공지능으로 학습해
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박막 주변을 생리식염수 등 전해액으로 채우고 전압을 걸어주면 나트륨이온이나 염화물이온과 같은 전기를 띤 입자(이온)가 박막의 구멍을 통과하면서 전류가 흐른다. 인플루엔자 바이러스도 생리식염수 안에서는 약간의 마이너스 전기를 띠기 때문에 전압을 걸어주면 박막 구멍을 통과한다. 이 때 이동한 바이러스의 체적분 만큼의 구멍이 작아지므로 이온의 이동이 방해를 받아서 순간적으로 전류가 줄어든다.

인플루엔자 바이러스의 형태가 달라짐에 따라서, 전류 파형도 약간 달라진다. 이것은 인플루엔자 바이러스의 형태별로 표면에 있는 단백질의 종류가 다르기 때문이다. 연구팀은 인플루엔자 바이러스의 형태별로 파형 변화를 인공지능으로 학습시켜 인간의 육안으로는 구별되지 않는 약간의 전류 파형의 차이로부터 인플루엔자 바이러스의 형태를 판별할 수 있었다.

연구팀은 의료기관이나 공항뿐 아니라 향후 가정에서도 사용할 수 있는 장치를 개발할 계획이다. 이미 인간의 타액이나 비강의 점막 등으로 검사하는 프로토타입을 완성했다. 가격 측면에서 기존 검사 키트에 비해 비싸지만, 규모의 경제가 달성되면 저렴하게 검사가 가능해질 것으로 기대하고 있다.