바이오인

바이오센서 산업의 전망

심준호, 남학현(namh@kw.ac.kr)

광운대학교 화학과

화학적 분석을 필요로 하는 분야에서 센서란 특정한 물질의 존재 유무 및 그 양을 측정할 수 있도록 제작한 도구와 장치를 의미한다. 그 중에서 바이오센서는 특히 생물학적 요소(예: 효소, 항원, 항체, 생화학물질 등)와 분석대상 물질과의 반응에서 나타나는 전기화학적 변화, 열에너지의 변화, 형광 또는 색의 변화 등을 인식 가능한 신호로 변환시켜주는 장치와 결합하여 제작한 기구를 지칭한다. 바이오센서의 효시는 1962년 Clark이 당산화효소를 고정한 막을 산소측정 전극의 표면에 부착하여 제작한 포도당센서로 알려져 있으며, 지난 40여 년간 자연과학, 생물공학, 화학공학, 전자공학, 생명공학 및 컴퓨터공학 등 여러 분야에서 미래를 주도할 산업으로 각광 받으며 활발하게 연구되어 왔다. 그림1은 바이오센서의 기본원리를 도시한 것이다.

그림 1. 바이오센서의 기본원리

바이오센서의 종류는 측정 대상물질, 센서에 고정한 생물학적 요소, 또는 신호변환기의 종류에 따라 나눈다. 초기에는 포도당센서와 같이 효소를 신호변환기 소자에 고정하여 제작한 것이 대부분 이었으나, 최근에는 분자생물학의 급속한 발달과 더불어 단일클론 항체나 항체-효소 결합체 등을 사용하여 제작한 센서들이 개발되어 사용되고 있다. 효소를 이용한 촉매센서와 항원-항체 반응을 이용한 친화결합센서 외에도 대량의 유전정보를 초고속으로 처리하기 위한 DNA칩 및 단백질칩, 시료의 처리 및 분석을 일괄적으로 처리할 수 있는 랩온어칩(lab-on-a-chip)과 같은 칩센서에 대한 개발 연구들이 활기를 띠고 있으며, 분자생물학기술(BT), 나노기술(NT) 및 정보통신기술(IT)들이 융합된 첨단 센서들의 개발에 많은 노력이 집중되고 있다. 반도체 소자의 미세전극에 나노 입자와 단백질을 결합시킨 고감도의 면역분석 센서, 고집적의 유전자 정보를 이식한 칩 센서, 단백질과 탄수화물 간의 결합력을 이용한 탄수화물 센서, 거부 반응 없이 체 내에 삽입하여 각종 생화학 물질을 검출할 수 있는 센서, 모기의 침 크기로 제작된 채혈 기구와 결합된 미세한 크기의 바이오센서 등에 대한 연구와 이들 센서들을 한 소자 내에 집적화 시키기 위한 연구, 여기에서 얻어진 신호들을 실시간으로 처리하여 전송해 줄 수 있는 집적회로의 칩을 결합시키는 연구 등이 각 선진국의 유수한 연구기관들에서 국가적 차원의 지원하에 활발하게 이루어지고 있다.

표1. 바이오센서 세계 시장 전망 ($ million)

바이오센서에 대한 관심이 높은 이유는 무엇보다도 바이오센서 그 자체로 표1에 예시한 것과 같이 각 산업 분야들에서 약 50억 달러에 달하는 큰 규모의 시장을 형성하고 있으며, 이 시장이 해마다 10 15 % 정도씩 증가하고 있어 경제적 가치가 큰 때문이다. 바이오센서의 가장 큰 시장은 임상 진단을 위한 의료용이 차지하고 있다. 현재는 혈당 측정용 바이오센서가 시장의 대부분을 차지하고 있으나 현장현시측정(point-of-care testing 또는 POCT)에 대한 요구가 증대되면서 젖산, 콜레스테롤, 요소 등 다양한 생체 물질들을 분석하는 바이오센서들에 대한 수요 또한 빠르게 증가하고 있다. 다음으로 다양한 환경 현장에서의 공해 물질 감시를 위한 환경용 바이오센 서, 식품의 안전성을 효율적으로 관리하기 위하여 농축산품에 포함된 잔류농약, 항생제, 병원균, 기타 독성화학물질들을 현장에서 간편하게 분석할 수 있는 바이오센서에 대한 요구 또한 높아지고 있다. 전장 또는 테러의 현장에서 정확하고 신속하게 생물화학적 무기 사용의 여부를 감지할 수 있는 군사용 바이오센서에 대한 관심은 2001년 미국에서 발생한 9.11 테러와 그 무렵 발생한 탄저균 테러 후 꾸준히 증가하고 있다. 산업용으로는 제약, 화학, 석유화학 등의 공정 및 생물산업 발효 공정을 제어관리하기 위한 목적으로 바이오센서가 많이 응용되고 있다. 실험 연구용의 바이오센서 시장 또한 포스트 제노믹스 시대를 대비한 신약개발 및 유전자 분석과 같은 새로운 분야를 개척하는 연구실들이 급격히 증가함에 따라 규모가 무시할 수 없는 수준으로 성장하고 있다.

국내의 바이오센서 산업에 대한 기대도 높은 편이어서 산학연의 연구가 활발하게 이루어지고 있으며, 외국의 기업들과 어깨를 겨눌만한 상품들이 속속 개발되고 있다. 최근 국내의 한 벤처 기업에서는 미세유로 기술과 결합한 효소전극기술을 사용하여 불과 500 나노리터 미만의 혈액으로 5초 이내에 혈당을 정확히 측정할 수 있는 센서를 개발하여 다국적 기업들과 경쟁할 수 있는 제품을 선보인 바 있다. 그러나 첨단의 바이오센서 일수록 대량생산까지의 개발 시간이 길게 걸리고 다른 나라에서의 인증 및 시장에서의 신뢰성을 구축하는데 걸리는 시간이 최소 3 - 5년의 시간이 걸리는 점을 감안하면 하나의 첨단 바이오센서가 상품화되는 데까지 걸리는 시간은 5년 이상 걸리는 경우가 많아 제약 및 바이오 벤처산업의 상품화 과정과 유사하다. 따라서 바이오센서 산업은 마지막 제품에 대한 부가가치가 큰 만큼 이에 비례하여 개발에 대한 전폭적인 연구지원과 마케팅에 대한 치밀한 기획력이 필요한 분야이다.

바이오센서는 일반인도 손쉽게 원하는 생물화학적 분석을 할 수 있게 만들어 주는 기구로서 현존하는 시장 및 잠재시장의 규모가 크고 의료, 환경, 산업 분야의 발전을 촉진하는 매개체이므로 그 연구개발을 위하여 각국의 산학연이 치열하게 경쟁하고 있다. 특히 BT, NT, IT의 융합기술로 개발하고자 하는 유전자칩, 단백질칩, 집적센서칩, 미세유로(microfluidic)칩, 초소형의 효소촉매칩 등에 대한 관심이 크다. 반면 개발 및 상업화의 과정은 상당한 노력과 인내를 필요로 하며, 경우에 따라서는 첨단성 보다는 시장성을 고려한 개발 기획이 필요할 수도 있다. 그러나 궁극적으로 시장에서 가장 경쟁력이 있을 수 있는 바이오센서는 감응 원리부터 새로운 창의적 개념에 바탕을 둔 제품이 될 것이며, 이러한 제품의 개발을 위해서는 화학, 물리, 생물학, 전자공학 등의 기초연구에 대한 적극적 투자와 지원이 있어야 할 것이다.