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| ▲ 일본 교토대 연구팀이 개발한 코로나 바이러스 감지 마스크. 코로나 바이러스를 접하면 마스크 표면이 반짝인다. photo kyoto university |
타조알 추출 항체에 형광 염료 섞어
전 세계의 바이러스 연구자들은 ‘무증상 감염자’를 빨리 찾아낼 방법을 계속 연구하고 있다. 그런 가운데 일본 교토대 연구팀이 마스크 하나만 착용하면 증상이 있는 감염자는 물론 무증상 감염자까지 바로 찾아낼 수 있는 마스크를 개발했다는 희소식이 전해졌다. 코로나 바이러스를 접하면 어둠 속에서도 반짝거린다는 게 마스크의 핵심 기술이다.
그 비밀은 타조의 알에 있다. 타조는 지구상에서 가장 강력한 면역체계를 가진 동물이다. 병치레를 거의 하지 않고 항생제도 거의 맞지 않는다. 면역력이 강하기 때문에 어떤 바이러스가 침입하든 항체를 빠르게 형성해 대항하고, 바이러스로 인한 상처나 질환을 치유하는 데 뛰어난 능력을 발휘한다. 같은 조류인 닭이 면역세포를 생성하는 데 12주가 걸린다면 타조는 6주면 가능하다. 타조의 항체 단백질은 난황(노른자)에서 생성된다. 항체는 새끼에게도 전달된다.
교토대 연구팀의 연구는 타조 난황의 항체를 이용한 것이 핵심이다. 코로나19가 확산하기 시작한 2020년 2월, 연구팀은 암컷 타조에 비활성 코로나 바이러스(SARS-CoV-2)를 주입해 타조가 낳은 알에서 대량의 항체를 추출했다. 이렇게 뽑아낸 항체에 형광 염료를 섞은 다음 이를 마스크 필터에 입혔다. 이것이 연구팀이 개발한 ‘형광 마스크’다. 바이러스의 침입을 받으면 반응하는 항체와 형광 염료 덕분에 마스크를 쓰기만 하면 호흡이나 침을 통해 바이러스와 접촉한 부분이 자외선 빛 아래서 밝게 빛나게 되는 것이다.
이번 연구를 이끈 연구팀의 책임자는 교토대 총장이면서 수의학과 교수인 쓰카모토 야스히로다. 그는 타조알 연구 전문가다. 1990년대 초에 이미 타조가 질병에 잘 걸리지 않는다는 사실을 발견했고, 이후 타조의 면역력이 높은 이유를 집중적으로 연구하기 시작했다. 그리고 2008년 타조 난황에서 항체를 추출하는 기술을 개발해 그 이유가 어떤 바이러스에든 잘 대항하는 항체에 있다는 사실을 알아냈다. 2015년에는 코로나19와 같은 베타 코로나 바이러스군에 속하는 메르스(중동호흡기증후군) 항체를 추출하는 데도 성공했다.
쓰카모토 교수팀은 자신들이 개발한 마스크의 성능을 코로나19 감염자 32명을 대상으로 시험했다. 이들에게 10일간 마스크를 착용토록 했더니 모두의 마스크에서 빛이 반짝거렸다. 또 감염자 혈액 속의 바이러스 양이 줄어들수록 빛도 함께 약해졌고, 10일 후 바이러스가 완전히 사라지자 빛도 전혀 발하지 않는다는 걸 확인했다.
재미있는 사실은 쓰카모토 교수도 연구팀이 개발한 마스크의 효과를 경험했다는 것이다. 자외선 아래에서 자신이 쓴 마스크가 반짝거리는 것을 보고 유전자증폭(PCR) 검사를 받았는데 양성으로 판정되었다. 자신이 감염되었기 때문에 마스크가 제대로 작동하는지 여부를 정확하게 확인할 수 있었다는 게 그의 설명이다. 덧붙여 코로나19로 매일 착용할 수밖에 없는 마스크가 바이러스를 감지해낸다면 무증상 감염자가 많은 사람에게 감염을 일으킬 가능성을 조기에 막을 수 있다며 그 역할을 형광 마스크가 하게 될 것이라고 강조했다.
연구팀의 형광 마스크는 PCR 검사보다 훨씬 빠르고 직접적인 형태의 초기 검사법이다. 기다란 면봉으로 코와 목 깊숙한 곳을 찔러 점액을 채취할 필요도 없다. 쓰카모토 교수에 따르면 타조알 항체는 저렴한 비용으로 양산이 가능하다. 이런 타조알 항체를 이용해 누구나 사용 가능한 간편한 검사키트를 만드는 게 연구팀의 목표다. 그들은 일본 정부로부터 마스크 시판을 승인받기 위해 코로나19 감염자 150명을 대상으로 2차 시험을 진행할 예정이다. 정부 승인이 나오면 올해 안에 전 세계를 대상으로 해당 마스크를 시판할 계획이다.
- ▲ 타조 난황 항체를 이용해 코로나 바이러스 감지 마스크를 개발한 교토대 쓰카모토 야스히로 교수. photo nippon.com
바이러스 감지하면 색깔 변하는 마스크도
색깔이 변하는 원리로 코로나19를 진단하는 마스크도 등장했다. 지난해 6월 미국 하버드대 생체모방공학연구소와 매사추세츠공대(MIT) 생명공학부 연구팀은 코로나 바이러스 유전물질이 감지되면 마스크 안쪽에 부착된 종이 센서의 색깔이 변하는 마스크를 개발했다. 연구팀은 ‘에볼라’ ‘지카’ 바이러스 등에 대비해 이전부터 종이 센서를 개발해 오고 있었다.
사용법은 간단하다. 사용자가 마스크를 착용한 다음 겉에 부착된 캡슐을 눌러 캡슐 속에 들어있는 물이 마스크 안쪽에 부착된 종이 재질의 센서로 자연스럽게 스며들게 하면 끝이다. 사용자는 검사 결과가 나올 때까지 숨만 내쉬면 된다. 코로나19 감염 여부는 90분 안에 파악할 수 있다.
이 마스크의 원리는 코로나19 바이러스의 특정 유전물질(RNA)에 반응하는 ‘단백질 분자’에 있다. 연구팀은 세포가 유전물질을 읽어 단백질을 생산하는 데 쓰는 단백질 분자를 추출해 동결건조(물체를 얼린 후 낮은 압력 아래에 둬 수분이 승화하는 성질을 이용한 건조 방법)한 다음 이를 종이에 발라 센서를 만들었고, 이 종이 센서를 마스크 원료인 폴리에스터 섬유와 결합시켜 마스크를 만들었다. 단백질 분자가 동결건조 상태에서는 기능을 멈추지만 물에 닿으면 활성화한다는 특징에서 아이디어를 얻었다.
마스크의 종이 센서는 사용자가 호흡할 때 발생하는 적은 양의 유전물질을 증폭하는 과정을 거쳐 바이러스의 감염 여부를 감지한다. 이때 종이 센서의 색깔이 변하는 결과는 개인정보 보호를 위해 환자만 알 수 있도록 마스크 내부에 표시된다. 검사 결과의 정확도도 세계보건기구(WHO)의 PCR 검사 기준과 일치한다는 것이 연구팀의 설명이다. 이 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 바이오테크놀러지’에 발표됐다.
연구팀은 종이 센서를 마스크뿐만 아니라 외투나 옷에도 부착해 의료진의 감염을 막는 데 도움을 줄 예정이다. 또 단백질 분자가 반응하는 유전물질의 종류를 코로나19 바이러스 외에 세균과 독성물질 등으로 넓힐 계획이다. 이 기술은 병원체와 화학물질 등에 자주 노출되는 환경에서 일하는 사람들의 생명 위협을 감지하게 될 것이다. 코로나19를 계기로 기능성을 뛰어넘어 최첨단기술이 접목될 마스크의 역할에 기대가 크다.
