휴대용 나노포어 시퀀서를 활용한 18개 STR 유전자 좌위의 빠른 분석 및 신원 확인

Rapid sequencing and identification for 18 STRs long amplicon panel using portable devices and nanopore sequencer

 휴대용 나노포어 시퀀서를 활용한 18개 STR 유전자 좌위의 빠른 분석 및 신원 확인

연구 배경

 

STR(Short Tandem Repeat)은 개인의 신원 확인과 혈연관계 분석 등 법의학 분야에서 가장 널리 사용되는 유전 마커입니다. 기존의 STR 분석은 모세관 전기영동(CE)이나 대규모 병렬 시퀀싱(MPS) 기술에 의존하며, 분석을 위해 실험실로 샘플을 운송해야 하며, 분석 시간도 오래 걸립니다. 그에 반해 Oxford Nanopore Technologies의 MinION은 87g의 초소형 시퀀서로, 현장에서 바로 DNA 시퀀싱을 수행할 수 있어 재난 현장, 범죄 현장 등에서의 즉각적인 신원 확인 수단으로 주목받고 있습니다.

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연구의 핵심 목표

 

이 연구는 기존의 느리고 복잡한 STR 분석 과정을 대체할 수 있는 "현장에서 바로 사용할 수 있는 빠르고 정확한 STR 유전자형 분석 시스템"을 개발하는 데 목적이 있습니다.

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핵심 방법

• 18개의 autosomal STR 좌위를 타겟으로 하는 long-amplicon 패널 설계
• 각 증폭산물은 약 1.4 Kbp 크기로, transposase 기반 rapid kit로 처리해도 STR 반복부 손상 없이 분석 가능
• Transposase 기반 Rapid Barcoding Kit를 통해 빠르고 간단한 라이브러리 준비
• 소형 PCR 장비, 휴대용 시퀀서, 포터블 전원만으로 전체 분석 워크플로우(증폭 → 시퀀싱 → 분석) 수행

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주요 실험 내용

• 13명의 자원자로부터 채취한 혈액 DNA + 표준 대조군 4개 샘플 사용
• 18 STR 패널 증폭 후,
  • Ligase 방식과
  • Transposase 방식(rapid)
    두 가지 방식으로 시퀀싱 라이브러리 제작
• MinION Mk1B 장비로 시퀀싱 수행
• 자체 개발한 STR 분석 소프트웨어 NASTRA로 유전자형 판독
• 총 24개 샘플을 분석했으며, 하루 10.5시간 내에 전체 워크플로우 완료

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실험 결과

• Rapid kit를 사용했을 때도 전체 STR 부위를 충분히 커버할 수 있었음
• 분석 정확도는 95.36%로 매우 높음
• 전체 리드 중 평균 29.16%가 long-amplicon 기반으로 성공적으로 시퀀싱됨
• 포터블 전원(1.5 kWh)와 노트북만으로도 모든 분석 가능

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결론 및 의의

• 본 연구는 현장에서 빠르게 STR 유전자형 분석을 통해 개인 식별을 수행할 수 있는 첫 번째 통합형 시스템을 제시하였습니다.
• 복잡한 실험실 장비 없이도 약 10시간 이내에 24명에 대한 유전자 분석이 가능하며,
• 특히 재난 대응, 범죄 수사, 국경 보안 등에서의 활용 가능성이 매우 높습니다.

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참고 링크

• 분석 소프트웨어 NASTRA: https://github.com/renzilin/NASTRA

GitHub - renzilin/NASTRA: Innovative Short Tandem Repeat Analysis through Cluster-Based Structure-Aware Algorithm in Nanopore Se

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