바이오인

 

 

바이오칩(Biochip)은 작은 기판 위에 DNA, 단백질 등의 생물 분자들을 결합시켜 유전자 결함, 단백질 분포, 반응 양상 등을 분석해낼 수 있는 생물학적 마이크로칩이다.

이러한 바이오칩은 과학 기술 연구 및 신약 개발 프로세스, 임상 진단 등의 분야에 혁신적 변화를 일으킬 것으로 주목을 받고 있으며 빠르게 보급되기 시작하고 있다.

특히 임상 진단 분야에서는 이미 암, 에이즈 등과 관련한 유전자 돌연변이를 검출하여 진단할 수 있는 바이오칩이 개발되어 있다.

한편 농업, 산업, 환경 모니터링 분야에도 바이오칩의 응용이 이루어지고 있는데 이들 분야는 임상 진단 분야에 비하여 경쟁이 덜 하고 상업적 성공의 기회가 많은 것으로 판단된다.

★ DNA칩, 단백질칩, Lab-on-a-Chip

바이오칩은 크게 마이크로어레이(Microarray)와 마이크로플루이딕스(Microfluidics)칩으로 나눌 수 있다.

마이크로어레이는 수천 혹은 수만 개 이상의 DNA나 단백질 등을 일정 간격으로 배열하여 붙이고, 분석 대상 물질을 처리하여 그 결합 양상을 분석할 수 있는 바이오칩을 말하는데DNA칩, 단백질칩(Protein chip) 등이 대표적이다.

비교적 널리 알려진 DNA칩에 비하여 단백질칩은 대부분의 생명 현상이 단백질 수준에서 일어난다는 사실을 감안할 때 그 이용가치가 훨씬 높은 바이오칩이다. 그러나 DNA와는 달리, 효소, 항체, 수용체 등 필요한 단백질의 확보가 어렵고 변성되거나 깨지기 쉬운 단백질의 특성으로 인하여 단백질칩의 개발과 상용화는 DNA칩에 다소 뒤진 실정이다.

한편 마이크로플루이딕스칩은 'Lab-on-a-Chip'이라 불리기도 하는데 미량의 분석 대상 물질을 흘려보내면서 칩에 집적되어 있는 각종 생물분자 혹은 센서와 반응하는 양상을 분석할 수 있는 바이오칩으로 최근에는 분석물질의 분리, 합성, 정량분석 등이 가능한 칩도 개발중에 있다.

단백질칩은 유전자칩에 비해 그 적용 대상이 훨씬 광범위함. 특히 post-genome 시대에서의 주요 개발대상이 단백질의 구조와 기능성과의 연관관계이므로 이에 기초한 산업화 가능성이 매우 높음.

단백질칩은 유전자칩에 비해 선진국과의 경쟁 가능성이 훨씬 높음. 인간 유전체에 근거한 신약후보물질에 대한 탐색은 막강한 투자력과 기술력을 구비한 선진국에 비해 매우 열악한 실정이다.

단백질의 경우 틈새시장을 찾아서 개척하는 것이 훨씬 용이함. 예를 들어 어떤 한약재의 약효실험(예: 혈압조절) 경우 혈압조절에 관련된 단백질군을 대상으로 단백질 칩 위에서의 반응 여부를 통해 확인할 수 있어 한약재의 세계시장 개척에 공헌할 수 있다.

2005년도 바이오칩 세계시장에 대한 예측은 다소 엇갈리고 있다. Biotech 2001은 다소 낙관적으로 약 45억 달러로 예측하고 있으나, News & Analysis는 약 10억 달러로 예측하고 있다.

하지만 두 보고서 모두 향후 5년 간 바이오칩 시장 전체의 년 평균 성장률을 30-33%로 예측하고 있고, 이중 단백질 칩 시장의 년 평균 성장률은 51%로 예측된다.

따라서 유전자 칩을 대상으로 한 microarrayer가 '현재기술'이라면 단백질 칩을 구현하기 위한 lab-on-a-chip 기술은 '미래기술'이라 할 수 있다.

★ 높은 시장성과 복잡한 경쟁 양상

현재 세계 바이오칩 시장은 약 2~3억 달러 정도로 추정되며 2010년 약 10억 달러 이상의 시장을 형성할 것으로 전망되고 있다. 일부에서는 2005년에 10억 달러를 상회할 것이라는 예측도 나오고 있을 정도로 바이오칩은 그 시장성이 매우 높은 분야이다.

바이오칩 시장은 현재 대부분 DNA칩이 차지하고 있으나 점차 단백질칩과 Lab-on-a-Chip제품의 비중이 높아져 2010년이면 이들 제품이 주종을 이룰 것으로 예상된다.

1990년대 후반을 거치면서 많은 바이오테크기업들이 바이오칩의 시장성을 높이 평가하고 이 분야에 뛰어들었다. DNA칩과 관련해서는 Hyseq, Affymetrix, Incyte Genomics 등이 대표적인 기업들이며, 단백질칩의 경우 Zyomix, CombiMatrix, Packard BioScience, Ciphergen Biosystems 등이 있는데 이들은 각기 다른 형태의 칩 제조 기술을 개발하고 있다.

그리고 Lab-on-a-Chip 관련 기업들로는 Caliper Technologies, Orchid Biocomputers 등이 두드러진다. 또한 Motorola, Agilent, Corning, Mitsubishi Rayon 등도 바이오칩 분야에 새로이 뛰어들고 있어 바이오칩 시장의 경쟁 양상이 더욱 복잡해지고 있다.

★ 고도의 기술 개발과 표준화가 관건

바이오칩의 상업화에 있어 가장 큰 이슈는 시장 선도를 위한 고도의 기술 개발과 분석기술 및 기기의 표준화라 할 수 있다.

최근 Affymetrix와 Molecular Dynamics가 주축이 되어 기술 개발과 표준화를 위한 컨소시엄(Genetic Analysis Technology Consortium, GATC)을 만들었고, Motorola는 계열사들과의 연계하에 자체적인 기술 개발에 열을 올리고 있는 점 등을 고려할 때 향후 바이오칩 관련 기술 및 기술표준 경쟁이 본격화될 전망이다.

국내에서는 연구개발용, 임상 진단용 바이오칩이 일부 개발되고 있으나 아직 상업화되고 있지는 않은 상태이다. 바이오칩 시장은 그 응용 영역과 성장 가능성이 매우 넓고 크며 아직 시작 단계인 점을 고려할 때, 국내 관련 기업들에게 많은 기회를 제공할 수 있을 것으로 보인다.

첨단 바이오기술(BT:Bio Technology)과 초소형전자기계시스템(MEMS:Micro Electro Mechanical System)기술이 접목된 이른바 '바이오멤스'(BioMEMS)의 출현으로 생물학 및 의료분야의 획기적인 변화를 예고하고 있다.

바이오멤스기술이 불가능으로 여겨졌던 생체의 신비를 여지없이 벗기고 있는 것이다.
　
바이오멤스는 '마이크로 세계'에서 일어나는 생체물질 내의 생리화학적 현상에 수반되는 미세한 생체 신호를 매우 정밀하게 분석할 수 있는 게 특징이다.

특히 DNA, 단백질, 세포 등 생체를 구성하는 기본 물질에 대한 대량의 고속 진단 및 분석이 가능하다. 때문에 신약 개발 과정을 크게 단축할 수 있다. 뿐만 아니라 사람의 골수에서 줄기세포를 뽑아내 특정 세포로 분리, '문제의 세포'에 넣어 죽어가는 세포를 재생하는 세포대체치료법의 효과를 배가할 수 있다.

KIST 미래기술연구본부 마이크로시스템연구센터 주병권박사는 바이오멤스가 (치료를)원하는 세포를 얻어내는데 큰 역할을 할 것이라며 궁극적으로 '인간게놈프로젝트'의 완성과 성패를 좌우할 핵심 요소기술이라고 평가했다.
　
바이오멤스는 또 대량의 유전자 기능을 짧은 시간에 파악할 수 있게 한다. 대표적 바이오멤스 중 하나인 DNA칩이 이미 기능이 밝혀진 유전자 조각 수 백만개를 정밀 분석함으로써 유전자 발현 분석, 유전자 진단, 의약품 효능 테스트, 각종 질환 진단의 효과를 획기적으로 높일 수 있다.
　
그런가하면 대표적인 바이오멤스인 '랩온어칩'(Lab on a chip)은 실리콘, 플라스틱 등으로 된 수 ㎠ 크기의 칩 위에 분석에 필요한 여러가지 장치를 미세가공기술을 이용해 집적, 생체의 비밀을 벗기기 위한 시료에 대한 전처리, 반응, 검출 등 일련의 공정을 일괄적으로 수행한다.

마치 하나의 칩 위에 생물학, 의약실험실을 모두 올려놓은 셈이다. 최근엔 여러차례의 복잡한 검진을 거치지도 않고도 아주 미세한 양의 혈액만으로도 수 백가지의 질환을 동시에 진단하는 길도 열고 있다. 항원(또는 항체) 단백질을 소형 기판 위에 고정화해 혈액의 항원 단백질을 감지, 정밀 분석하는 단백질칩의 상용화가 가시권으로 들어온 것이다.
　
이밖에도 바이오멤스는 대량의 세포를 짧은 시간 안에 이송, 분류, 진단하는 기능을 토대로 유전자를 이식하거나 내분비액이나 약품을 인체의 미세한 부분에까지 공급하는 역할도 맡고 있다.
　
전문가들은 “바이오멤스가 인체 구석구석을 돌며 각종 장기나 혈관의 상태를 진단하고 치료하는 의료용 ‘마이크로로봇’의 등장을 앞당기는 요소 기술로 두각을 나타내는 시대가 머지않았다”고 진단한다.
　
한편 국내서도 KIST를 비롯해 서울대, 한양대 등이 각종 난치병의 치료 및 예방 분야에 바이오멤스를 적용하기 위한 요소 기술 연구가 활발하다. 특히 KIST는 바이오멤스를 필두로 한 마이크로시스템을 5대 중점연구분야로 선정, 자원을 집중하고 있다.

☞ 하버드대 하워즈 휴스 의학 연구소의 스튜어트 L.시레이버박사와 가빈 맥비스박사 연구팀은 최근 로봇을 이용, 현미경 슬라이드에 수천종류의 단백질을 배열시켜 단백질 마이크로칩을 만드는데 성공했다고 밝혔다.

이미 많이 소개된 유전자의 기능이나 발현을 동시에 분석할 수 있는 DNA 칩과 비슷한 종류의 단백질칩이 개발됨으로써 단백질 기능과 단백질간의 상호작용을 분석하는 프로테오믹스(proteomics 단백질체학)의 연구도 가속화될 것으로 보인다.

연구팀은 이 단백질칩이 특정 단백질에 영향을 미칠 수 있는 약물후보물질을 작은 분자수준에서 분석할 수 있으며 긍극적으로 세포의 단백질패턴을 분석하는데도 사용될 수 있을 것으로 전망했다.

이 단백질칩은 현미경 슬라이드에 1만 종류의 단백질이 미세한 점으로 배치돼있다. 자동화된 로봇이 이 배열작업을 수행했기 때문에 단백질의 기능이 전혀 손상되지 않았다는 게 연구팀의 설명이다.

또 유리판위에 배열된 단백질들이 다른 단백질이나 화학물질들과 상호작용에서도 활성을 잃지 않았음을 확인할 수 있었다는 것이다.

이번에 사용된 로봇은 스탠퍼드대 패트릭 O. 브라운 박사가 개발한 것으로, 유리판에 단백질용액을 머리카락 굵기의 작은 점으로 고정시킬 수 있다. 숫자로 보면 대략 유리판 1㎠마다 1천600개의 단백질점을 찍을 수 있다.

단백질칩의 원리는 정상적 기능을 하는 단백질을 배열시킨후 사람의 몸에서 체쥐한 단백질을 그위에 얹어 서로 상호작용하는 단백질끼리 들러붙는 과정을 통해 단백질의 이상여부를 찾아내는 것이다. 한 세포의 특성은 궁극적으로는 단백질에 의해 결정된다는 점을 고려하면 단백질칩의 중요성은 매우 크다고 할 수 있다.

한편 연구팀은 단백질 칩의 유리판에 알데히드화합물을 입혀 단백질이 공유결합으로 고정될 수 있도록 했다고 밝혔다.

연구팀은 단백질칩에 형광으로 표시한 단백질들을 첨가해 원래 배열돼 있던 단백질들이 제대로 반응하는지 실험해보았다. 그 결과 형광으로 표시한 단백질들이 원래 상호작용을 하는 단백질에 결합함으로써 칩에 고정된 단백질들이 활성을 지니고있음을 보여주었다는 것이다.

☞ 피 한방울로 여러가지 병을 진단 가능.

서울대 유전공학연구소 김선영(45) 교수팀이 국내에서 처음 단백질칩을 이용한 자동 진단시스템을 개발, 올 연말쯤 에이즈와 간염 등 감염성 바이러스성 질병에 대한 시제품부터 출시할 예정이다.

김 교수팀이 개발한 '단백질칩을 이용한 다목적 자동진단시스템 기술'은 기존 면역분석법 원리와 바이오칩 기술을 접목시킨 새로운 유전공학 기술. 단백질칩은 항원(혹은 항체) 단백질을 유리로 된 슬라이드칩(7.5㎝×2.5㎝)에 심어 혈액의 항체(혹은 항원) 단백질을 감지한다.

이 때문에 단백질칩은 DNA칩과는 달리 기존 효소면역분석법의 항원·항체를 그대로 이용할 수 있는 장점이 있다. 김 교수팀은 이같은 단백질칩을 이용, 기존 진단기술보다 진단시간을 4분의 1로 줄이고, 샘플처리 능력은 40배 이상 높이는 데 성공했다.

김 교수는 단백질칩은 진단 검사속도를 단축시킬 수 있는 것은 물론, 대량의 자동생산체제를 구축하면 기존 진단시약보다 100배 이상 원가를 절감할 수 있다며 이 분야에 대한 상용화 연구는 미국에서조차 아직 개발단계라고 말했다.

단백질(항원)·단백질(항체) 반응을 이용한 이 기술을 사용하면 환자의 혈액을 이용하여 수십 가지 질환을 동시에 진단할 수 있고, 한 가지 바이러스성 질환에 대해 수십∼수백명 이상의 혈액을 동시에 진단할 수 있다. 또 수십 가지 질환에 대하여 수십∼수백 명의 혈액을 동시에 진단하는 것도 가능하다.

김 교수팀은 현재 에이즈 바이러스(HIV), 간염 C형 바이러스(HCV)에 대한 실험은 이미 완료, 시제품 출시를 앞두고 있다. 산업자원부와 중소기업청의 지원을 받아 간염 B형 바이러스(HBV), 한타바이러스 및 혈액종양바이러스(HTLV)에 대한 진단시약도 개발중이다.

내년 하반기에는 성병 진단시약도 선보일 예정이다. 이 외에도 암·자가면역질환·대사성 질환 등 점차 진단대상을 확대해 나갈 계획이다. 또 김 교수팀은 자동진단 체계 구축을 위해 서울대 공과대학 기계항공공학부의 박희재 교수팀과 공동으로 단백질칩용 자동분석기(집적기와 판독기) 국산화도 진행중이다.


(자료 출처 : 농생명과학연구정보센터)