AI 기반 바이오칩, 20분 만에 유전 표지자 검출

NTU Singapore 연구진이 인공지능 (AI) 과 결합했을 때 심장질환 등 질병과 연관된 미세한 유전 표지자인 microRNA를 매우 적은 양까지 빠르고 정확하게 검출할 수 있는 새로운 바이오칩을 개발했다. Advanced Materials에 발표된 이 새로운 바이오센싱 플랫폼은 특수 설계된 나노포토닉 칩과 AI 자동화 영상 분석을 결합했다. 현재 microRNA 검출의 표준으로 여겨지는 PCR (polymerase chain reaction) 과 비교하면, 이 새 장치는 검출 시간을 수시간에서 20분으로 줄일 수 있다.

칩에 아주 작은 혈액 한 방울을 넣으면 여러 microRNA 바이오마커를 신속하게 검출할 수 있다. 통합된 AI 영상 기능을 통해 수천 개의 microRNA 신호를 한 번의 촬영으로 영상화하고 분석할 수 있다. 연구진은 나노포토닉 칩의 이미지를 포착할 수 있는 컬러 카메라와, AI 알고리즘을 이용해 microRNA용 이미지를 분석하고 신속한 결과를 제공하도록 설계된 모바일폰 애플리케이션을 포함한 소형 프로토타입을 제작했다.

MicroRNA는 체내에서 작동하는 유전자를 조절하는 데 도움을 주는 짧은 RNA 분자다. microRNA 수치의 변화가 여러 질환과 연관돼 있기 때문에, 과학자들은 이를 심혈관질환, 암, 신경퇴행성 질환, 대사성 질환 등의 바이오마커 후보로 연구해 왔다. microRNA의 중요성은 2024년 노벨 생리의학상이 microRNA의 발견과 유전자 조절에서의 역할을 인정하면서 다시 한 번 부각됐다.

연구진은 microRNA 검출의 어려움을 극복하기 위해 nanocavity를 설계했다. 이는 사람 머리카락 굵기보다 수백 배 작은, 빛을 가두는 초미세 구조다. 거울로 둘러싸인 동굴과 같은 형태의 nanocavity는 표적 microRNA가 이에 상응하는 프로브와 결합할 때 나타나는 형광 신호를 반사하고 증폭한다. 이를 통해 단일 microRNA 분자까지도 더 쉽게 검출할 수 있다.

이 시스템은 증폭이나 복잡한 전처리 없이 사람 폐암 세포 추출물에서 비소세포폐암과 연관된 3가지 microRNA인 miR-191, miR-25, and miR-130a를 측정했다. 표지된 프로브가 필요한 PCR 및 hybridisation 키트와 달리, 이 플랫폼은 액체 샘플에서 여러 microRNA를 직접 정량적으로 검출한다. 또한 이 플랫폼은 현미경 이미지를 자동 분석하기 위해 Mask R-CNN으로 알려진 딥러닝 모델을 사용한다.

자동화된 AI 영상 시스템이 microRNA 신호를 한 번에 포착한 뒤, AI 시스템이 형광 신호를 식별·분류하고 서로 다른 microRNA 유형을 구별해 수동 계수의 필요성을 없애고 인적 오류를 줄인다. 이 플랫폼은 합성 microRNA를 생물학적 추출물에 추가했을 때도 우수한 성능을 보였으며, 이는 보다 현실적인 샘플 조건에서도 신뢰성 있게 작동할 수 있음을 시사한다. 연구진은 이 플랫폼이 샘플 내 몇 개 분자 수준까지의 극저농도 microRNA를 검출할 수 있었고, 서로 다른 시험 채널 전반에서 표적 식별 정확도가 99%를 넘었다고 밝혔다.

연구진은 다양한 질환과 연관된 바이오마커를 검출할 수 있는 잠재력을 지닌, 여러 microRNA를 빠르고 정확하게 측정하는 시스템 구축을 목표로 하고 있다. 폐암 세포를 이용한 성공적인 시험 결과는, 서로 다른 바이오마커를 표적으로 하는 적절한 프로브를 적용하면 이 기술이 심혈관질환과 바이러스성 질환을 포함한 다른 여러 암과 질환에도 잠재적으로 적용될 수 있음을 보여준다. 대학의 혁신·기업화 회사인 NTUitive를 통해 기술 공개가 제출됐다.