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Start Up Innovation / Science
손바닥만한 유전자 해독 장치
차차세대 시퀀서 미니온, 감염병 현장에서 즉시 판정

손바닥만한 유전자 해독 장치를 이용해 자신의 질병을 조사한다. 이것이 가능한 시대가 10년 후 도래할지도 모른다. 이 장치는 차차세대 시퀀서(3rd Generation Sequencer)라고 불린다. 현재 주류의 차세대형 유전자해독장치에 비해 정밀도는 떨어지지만, 혈액 등을 통해 단시간에 유전자 정보를 해독할 수 있다. 세균감염의 조기 진단과 말라리아 치료약 효능 판단, 난치병 진단에 응용하는 연구가 추진되고 있다.

“최대한 빨리 의료 현장에 응용해나갈 계획이다”. 도카이(東海)대학 의학부의 이마니시(今西) 교수는 손바닥 크기의 작은 ‘MinION’이라는 차차세대 유전자 해독 장치를 이용해 감염증의 원인이 되는 세균의 종류를 판정하는 임상연구를 9월이 개시한다. 고령자가 걸리기 쉬운 폐염이나 패혈증 등의 환자 500명을 대상으로 어떤 종류의 세균에 감염되었는지를 조사한다.

감염된 세균의 종류를 판별하기 위해 현재는 환자의 혈액 등을 통해 채취한 세균을 배양해 조사하고 있다. 하지만 이러한 방법은 2일 정도의 시간이 걸리고 배양이 불가능한 세균도 존재한다. 또한 유효한 항생물질 투여가 늦어 효과가 없는 약을 장시간 투여 받게 되면서 약제 내성 균이 나타날 리스크가 높아진다. 이를 위해 가능한 빨리 감염증의 원인 균을 판정하는 방법이 요구되고 있다.

-- 기기로 균을 판정 --
이마니시 교수팀은 MinION과 2대의 노트북을 연결한 시스템으로 환자의 혈액 등에서 추출한 DNA를 이용해 2시간 이내에 세균의 종류를 판정. 의사는 이 결과를 참조해 환자의 증상 등을 통해 유효하다고 생각되는 항생물질을 투여해 얼마만큼의 환자가 회복했는지를 3년 정도에 걸쳐 조사한다.

MinION은 영국의 Oxford Nanopore Technologies가 3년 정도 전에 본격적으로 판매를 개시했다. 수지제의 막에 나노 사이즈의 초미세 구멍이 뚫린 단백질이 삽입되어 있다. 이 구멍을 실 모양의 긴 DNA가 통과할 때 ‘아데닌(A)’, ‘티민(T)’, 사이토신(C)’, ‘구아닌(G)’이라는 4종류의 염기라고 하는 물질로 만들어진 유전자 정보를 전류 수치의 차이로 해독하는 시스템이다.

한편, 현재 암 환자의 개별화 의료 등에 이용되고 있는 ‘차세대 시퀀서’는 화학 반응을 이용해 유전자 정보를 해독한다. 차차세대 시퀀서는 차세대형보다 장치가 저렴할 뿐만 아니라 소형이고 단시간에 유전자 정보를 해독할 수 있다는 장점이 있다. 하지만 정밀도는 92~95%로, 차세대형의 거의 100%에 비해 낮다.

이마니시 교수는 “차세대 시퀀서로는 2일 걸리는 세포 종류의 판정이 MinION의 경우 2시간 안에 가능하다. 앞으로 임상연구를 거쳐 의료 현장에 도입하기까지 5년 이상 걸릴 것으로 보인다”라고 말한다.

“병원 등의 의료 시설이 없는 지역에서 감염증이 유행할 때 현지에 휴대형 장치를 가지고 가 그곳에서 치료약이 효과가 있는지 여부를 판정하는데 사용된다”라고 도쿄대학의 스즈키(鈴木) 교수는 말한다.

스즈키 교수는 인도네시아에서 열대열 말라리아의 원인인 원충(原蟲)이 말라리아의 표준 치료약(아르테미시닌(Artemisinin))의 치료 효과를 약화시키는 유전자변이를 가지고 있는지 여부를 조사하고 있다. 인도네시아의 삼라토랑기대학과 공동으로 열대열 말라리아 환자의 혈액을 수집, MinION을 이용해 아르테미시닌의 내성에 관계하는 유전자에 어떤 변이가 일어나는지 조사 중에 있다.

-- 난치병 환자 치료에도 --
차차세대 시퀀서는 DNA를 구성하는 염기를 한번에 1만개 이상 해독할 수 있어 난치병 환자의 원인 유전자 특정에 도움이 될 것으로 기대되고 있다.

요코하마시립대학의 미쓰하시 조교는 몸의 근육이 점차 약화되는 근육디스트로피 가운데 성인에 많은 ‘안면견갑상완형 근육디스트로피’이라는 질병 진단에 MinION의 이용 가능성을 제시했다. 이 질병이 아닌 사람은 3,300개의 염기 배열이 11~100회 반복되지만, 이 배열이 10회 이하가 되면 발병하게 된다.

이러한 긴 염기 배열이 몇 회 반복되는지를 차세대 시퀀스로는 읽어내기 어렵다. 미쓰하시 조교팀은 MinION으로 해독된 사람의 DNA 염기 배열을 컴퓨터를 통해 분석한 결과, 염기 배열이 반복된 횟수를 특정하는데 성공했다.

“난치병 환자의 원인 유전자는 차세대 시퀀서로도 70% 정도는 특정이 불가능하다. 앞으로 환자의 혈액 등을 이용해 차차세대 시퀀서로 원인 유전자의 변이를 규명할 수 있게 된다면 치료에도 도움이 될 것이다”라고 미쓰하시 조교는 기대감을 나타냈다.

차차세대 시퀀서 보급을 위해 비용 절감과 정밀도 향상이 요구되고 있다. 이러한 과제가 해결된다면 의료기관으로의 보급은 빠르게 진행될 것이다.

▶ 시퀀서 비교

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