바이오인

 

 

바이오센서는 액체 또는 기체 상태에 있는 유기물질이나 무기물질의 농도를 측정하는 소자로 기본적으로 생물학적 요소, 물리적 요소, 인터페이스 등으로 구성돼 있다. 탐지대상물질에 대해 어떤 반응이나 상호작용을 일으키는 생물학적 요소는 다시 촉매와 비(非)촉매 등 두 그룹으로 나뉜다.

촉매 그룹에는 효소, 미생물, 세포조직 등이 포함되고 비촉매 그룹에는 항체, 수체(受體), 핵산 등이 있
다. 물리적 요소 또는 변환기(變換器)는 생화학적 반응이나 상호작용을 수량으로 표시하거나 처리가 가능한 전기신호로 변환해 주는 것으로 pH미터와 같은 단순한 전기화학적 장치에서부터 열이나 면역성 또는 광(光) 변화에 기반한 복잡한 시스템에 이르기까지 종류가 다양하다. 인터페이스는 생물학적 요소와 변환기를 서로 연결시키는 역할을 한다. 생물학적 요소가 불안정하거나 애널라이트(analyte)와 관련이 있는 물질에 독성이 있거나 신호의 오류를 유발할 가능성이 있는 경우에는 여기에 바이오센서를 보호하는 얇은 막을 사용한다.

바이오센서에는 일반적으로 압전(壓電)기반(또는 중량을 측정하는) 바이오센서, 광 바이오센서, 전기화학 바이오센서, 서미스터기반 바이오센서 등 4종류가 있다.

압전기반의 바이오센서는 진동 수정결정체(水晶結晶體)의 공명주파수를 변경함으로써 물질 내부의 미세한 변화도 탐지할 수 있다. 현재 대부분의 압전기반 바이오센서는 흡입된 가스를 측정할 수 있다. 하지만 액체속에서 항체·항원이 형성되는 것을 탐지할 수 있는 2세대 표면탄성파(SAW:Surface Acoustic Wave) 센서가 부상하고 있다.

광 바이오센서에서는 생물학적 요소가 탐지대상 물질과 상호 작용해 빛을 감쇠, 흡수 또는 방출한다. 광학적으로 애널라이트를 탐지할 수 있는 바이오센서는 광케이블과도 호환이 가능하다. 가장 보편화된 광 바이오센서는 순간파 탐지기다. 순간파는 면역측정에 주로 사용한다. 또 분류하지 않고 면역측정할 수 있는 표면 플라스몬(전자가스의 종파양자-縱波量子) 공진(Surface Plasmon Resonance)도 하나의 중요한 광 센서기술이다. 전기화학 바이오센서는 바이오센서와 애널라이트 사이에서 일어나는 반응에 의해 신호를 전기적 신호로 직접 변환해 준다. 여기에 적합한 전극은 은/염화은이나 백금 마이크로전극, 이온감지 전기장 효과 트랜지스터 또는 가스감지 전극 등이다.

많이 사용되는 전기화학 바이오센서에는 탐지 방식에 따라 암페어측정 센서, 전위차계(電位差計) 센서, 전도율측정 센서 등이 있다.

또 서미스터기반 바이오센서는 생체인식 화합물을 온도감지 요소에 고정시키고 미세한 온도의 변화를 탐지한다.

이들 4가지 바이오센서 중 전기화학 바이오센서가 상용화에서 가장 앞서 있다. 그러나 시장에 나와 있는 대부분의 전기화학 바이오센서는 부피가 큰 것이 단점으로 지적된다. 현재 많은 연구원들이 바이오센서의 소형화를 추진하고 있다. 가령 뉴멕시코대학 연구진은 산화효소를 채용하는 포도당기반 바이오센서의 소형화에 걸림돌이 되는 문제를 해결할 수 있는 길을 열었다. 관련업체들은 지난 몇년 동안 바이오센서의 소재로 다공성 실리콘의 사용을 집중 연구해 왔다. 이를 통해 다공성 실리콘이 효소의 활동을 방해하지 않으면서도 시약(試藥)을 사용하지 않고 탐지할 수 있는 단순한 방법을 제공한다는 것을 알아냈다. 더구나 실리콘을 사용하면 기존의 반도체 생산시설과 기술을 이용해 소형화된 바이오센서를 양산할 수 있게 될 것이다.

사용이 간편하고 가격이 낮으며 수명이 긴 바이오센서의 개발에 걸림돌이 되고 있는 기술적 문제점은 얇은 막의 약한 접착력, 감도의 심한 변화, 일반적 바이오센서 구성품의 결여, 잡음 간섭, 애널라이트 탐지의 특이성, 소형화의 어려움 등이다.

 ? 얇은 막의 약한 집착력 : 변환기나 물리적 구성요소에 강력하게 접착되면서 생체와 호환이 되는 얇은 막을 개발하는 것은 난제다. 접착력이 약하면 바이오센서의 신뢰도가 낮아진다.

 ? 감도의 심한 변화 : 대부분의 기존 바이오센서 시제품을 보면 바이오센서는 감도의 변화가 심해서 제어가 잘 안되는 것으로 나타난다.

 ? 일반적 바이오센서 구성품의 결여 : 연구원들이 여러가지 각기 다른 바이오센서에서 공통적으로 사용할 수 있는 바이오센서 구성품을 개발하려고 노력을 기울였으나 대부분 별 소득 없이 끝났다. 따라서 당분간은 공통적으로 사용할 수 있는 바이오센서 구성품이 나오는 것을 기대하기 어렵다.

 ? 잡음 간섭 : 일부 반도체기반 바이오센서의 경우 전하로 인한 잡음이 문제가 되고 있다. 현재 신호잡음을 줄일 수 있는 필터나 알고리듬의 개발이 추진되고 있다.

 ? 소형화의 어려움 : 생의학을 포함한 일부 응용 분야에서는 바이오센서의 소형화가 매우 중요하다. 소형화에서 가장 어려운 점은 약해지는 감도를 보정하고 특별히 얇은 막을 적용하기가 쉽지 않다는 것이다.

한편 현재 연구원들이 탐지모듈을 대체할 수 있는 단일 주파수의 저가 면역센서를 개발중이다. 이들은 재사용이 가능한 센서를 개발할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

바이오센서를 개발하는 데는 반도체공학, 전기화학, 전기광학, 폴리머화학, 미생물학, 생화학, 효소학, 면역학 등 다양한 분야의 전문지식과 기술이 필요하다. 바이오센서기술은 생명공학, 폴리머화학, 극소전자공학(microelectronics) 등과 밀접한 관계를 갖고 있다. 이들 세가지 기술 없이는 바이오센서가 발전할 수 없다. 또 바이오센서 기술이 발전하려면 분자전자, 고정기술, 박막, 단(單)클론 항체, 단백질공학, 센서의 소형화 및 기능통합, 동·식물의 세포조직, 곤충 안테나 등 관련분야에도 관심을 기울여야 한다.

바이오센서의 응용분야는 진료, 중환자 직접 감시, 약품 투여시스템, 발효 감시 및 제어, 식품 및 약품 가공, 약품작용 및 오용 탐지, 환경오염 감시, 어류 양식, 가축진료 등 광범위하다. 그 중에서도 바이오센서의 수요가 가장 높은 곳은 의료부문이다. 바이오센서는 자유로운 이동과 즉각적인 감지가 가능해 항응혈제, 면역 억제제 등과 같이 위험도가 높은 약품의 사용을 편리하게 해 준다. 그러나 대규모 시장을 대상으로 하는 ‘표준 바이오센서’가 개발되지 않는 한 대부분의 업체들은 바이오센서의 생산에 별로 관심을 갖지 않게 될 것이다.

세계 바이오센서 시장은 지난 97년 약 4억5000만달러에서 오는 2003년 9억7000만달러로 성장할 것으로 전망된다. 부문별로는 지난 97년 4억달러였던 의료장비용 바이오센서 매출이 오는 2003년에는 9억50만달러에 달할 것으로 보인다. 산업 생산공정 응용제품용 바이오센서 시장은 지난 2000년 약 1350만달러에서 오는 2003년에는 1600만달러로 약간 확대될 것으로 보인다. 또 환경감시 및 군사부문 응용제품용 바이오센서 시장은 지난 2000년 각각 2400만달러와 800만달러에서 오는 2003년에는 2600만달러와 1000만달러로 증가할 것으로 예상된다.

바이오센서-응용분야; 의·약 분야 시장 잠재력

바이오센서는 진료, 중환자 직접 감시, 약품투여시스템, 발효 감시 및 제어, 식품 및 약품가공, 약품작용 및 오용 탐지, 환경오염 감시, 어류 양식, 가축진료 등의 분야에 응용할 수 있다.

▶ 진료=바이오센서는 건강관리 부문에서 가장 널리 응용된다. 바이오센서는 혈액의 가스(산소, 이산화탄소 등) 및 pH, 포도당, 포타슘, 나트륨, 칼슘, 염화물, 중탄산염, 요소, 크리에티닌, 빌리루빈, 콜레스테롤 등의 임상분석에 사용할 수 있다. 많은 업체들은 포도당 감시용 바이오센서 시장의 잠재력을 보고 이의 개발에 힘을 기울여 왔으나 성공한 업체는 그리 많지 않다. 이들은 주로 체내 침습방식, 최소한 침습방식, 비(非)침습방식 등 세가지 방식의 포도당 바이오센서를 개발하고 있다. 침습방식에는 혈관과 같은 인체내에 탐지장치를 장기간 이식하는 방법 등이 포함된다. 글루코메디테크사가 체내 침습방식의 포도당 바이오센서를 개발했으나 아직 신뢰도가 낮은 상태다.

몇 개 업체들이 최소한 침습방식과 비침습방식의 포도당 감지장치를 개발중에 있다. 이밖에 바이오센서는 임신여부나 요도감염 실험 등에 사용할 수 있다.

전염병을 탐지하는 바이오센서는 전염병의 신속한 진단과 감염 정도의 평가를 수치적으로 나타낼 수 있게 해 줄 것이다. 현재 중추신경계통 질환에서의 신경전달 물질의 역할에 대해 연구중인데 신경전달물질의 기능을 감시하는 데 바이오센서를 응용할 가능성이 있다. 또 몇 개 업체들은 FDA의 승인을 받아 가정용 콜레스테롤 기초실험 키트를 상품화했다. 솔리드스테이트케미스트리앤드리겐스버그대학의 연구진은 항원-항체반응을 일으켜 후천성 면역결핍증(AIDS:Acquired Immune Deficiency Syndrome) 바이러스의 감염 여부를 실험 10분 후면 알 수 있는 새로운 인간면역결핍증바이러스(HIV:Human Immunodeficiency Virus) 실험기술을 개발했다.

▶ 중환자 직접 감시=바이오센서는 중환자에게 면역억제제와 같은 특정 약품을 투여하고 있는 동안 환자를 감시하는 데 사용할 수 있다. 또 환자 혈중이온을 즉각 탐지하는 데도 사용할 수 있다. 기존의 혈액검사 방법은 혈액을 채취한 다음 이를 실험실로 보내서 분석하기 때문에 시간이 많이 걸렸다. 현재 나와 있는 대부분의 바이오센서 시스템은 혈액의 응고 및 가스 분석용 제품이다.

이 분야에서는 iSTAT와 다이어메트릭스메디컬이 휴대형 혈액 분석시스템을 출시했고 어백시스(Abaxis Inc.)가 탁상용 분석장치를 발표했다. 한편 μ(미크론)-바이오닉스(Bionics)는 혈중 이산화탄소, 산소, pH 등을 지속적으로 측정할 수 있는 전기화학 다기능 센서를 개발하고 있다. 이 센서는 인체내에 적용할 수 있고 도뇨관에 들어갈 정도로 작게 하는 것을 목표로 하고 있다.

▶ 약품투여시스템=바이오센서는 인체내에서 약품이 유지해야 할 농도에 따라 약품의 투여량을 제어할 수 있다. 가령 체내에 이식한 인슐린 펌프에 아주 작은 포도당 센서를 부착해 환자가 음식물을 소화하는 정도에 따라 인슐린 펌프가 적정량을 공급할 수 있게 할 수 있다. 그러나 인체에 이식하는 바이오센서는 외부에서 사용하는 것보다 생체 호환성이 있고 더 견고하며 크기가 작고 안정성이 높아야 한다.

약품투여량 제어용 바이오센서의 개발은 주로 포도당 감지기능을 중심으로 이루어지고 있으며 체내 이식가능 포도당 센서의 개발이 추진되고 있다. 샌디에이고 소재 캘리포니아대학 연구진들이 체내 이식가능한 센서 모듈과 포도당 감지 시스템을 개발하고 있는 반면 오사카대학 연구원들은 당뇨병환자의 피하에 삽입할 수 있는 바늘 모양의 포도당 센서를 개발하고 있다.

▶ 발효 감시 및 제어=발효과정에서 중요한 가스, 이온 및 다른 물질의 내용이나 농도를 온라인으로 분석하기 위한 바이오센서의 수요가 늘어날 것으로 보인다. 생물반응기에서 성장하는 배양균의 변형상태를 감지하려면 샘플을 여러 번 꺼내어 반응기 밖에서 분석해야 하는 번거로움이 있다. 또 그렇게 하려면 샘플을 무균상태에서 분석해야 하는데 고가의 제품을 다량 배양할 경우에는 문제가 복잡해진다. 바이오센서가 이러한 문제를 해결해 줄 수 있다. 일본의 다나베세이야쿠사는 D-아스파르트산과 요소를 생물 촉매제로 생산하는 것을 감시하기 위한 바이오센서를 개발했다. 이를 사용함으로써 이 회사는 감시요원이 24시간 교대근무하지 않고 주간에만 근무해도 되었다. 요소 바이오센서는 수명이 30일이며 기존 비색계보다 감지 능력이 우수하다.

▶ 식품 및 약품 가공=식품산업부문은 매우 다양하고 경쟁이 심할 뿐 아니라 이윤이 박하기 때문에 바이오센서 시장이 형성되기 어려울 것으로 보인다. 따라서 바이오센서업체들은 미생물, 설탕, 식품 변질 표시기, 잔류물, 오염물질 등 일반적인 부문을 공략해야 할 것이다. 식품의 품질에 대한 규제가 강화돼 가는 한편 값싸고 신뢰도가 높으며 사용하기 편한 바이오센서가 개발됨에 따라 바이오센서는 식품산업부문의 화합물을 분석하는 데 유용할 것이다.

신생기업인 바이어코어는 친화력 기반의 바이오센서를 사용해 비타민을 신속하고 간편하게 분석할 수 있는 식품분석시스템을 발표했고 ?트센서(Gwent Sensors Ltd.)는 식품가공업체용 재사용 가능 바이오센서장치를 상용화했다. 또 조지아기술연구소와 로드아일런드대학 연구진들은 생육과 가축에 있는 각종 박테리아와 병균을 동시에 확인할 수 있는 종합 광바이오센서와 장염비브리오균을 탐지할 수 있는 압전 바이오센서 시스템을 각각 개발했다.

약품에 오염물질이 미량이라도 들어있으면 면역 반작용이나 부작용을 일으킬 수 있는데 이를 방지하기 위해 바이오센서 기반의 품질관리시스템을 개발할 필요가 있다. 몰레큘러디바이시스는 단백질 기반 약품에서 오염된 DNA를 탐지하는 품질관리시스템을 개발했다. 그런데 압전 분석 바이오센서는 DNA검사보다 더 신속하게 분석결과를 얻을 수 있다. 듀폰 연구원들은 바이러스성 DNA를 탐지할 수 있는 압전 기반의 바이오센서시스템을 개발했다. 또 제약회사들은 약품을 개발, 생산하려면 메탄올을 제어해야 하는데 YSI는 생명공학적 처리과정에서의 메탄올 수준을 측정하고 제어할 수 있는 바이오센서 기반 분석기를 상품화했다.

▶ 약품작용 및 오용 탐지=바이오센서는 약품작용에 필요한 분자를 검사하고 약품의 오용을 탐지하는 데 유용하며 앞으로 이 시장은 확대될 것이다. 새로운 분자검사 기술은 제약업체들이 경쟁력을 높이는데 매우 중요하기 때문이다. 스탠퍼드대학의 연구팀은 인체내에서 부작용을 일으킬 가능성이 있는 약품에서 생기는 화학화합물을 체내에서 확인할 수 있는 바이오센서를 개발했다. 이 새로운 바이오센서시스템은 각종 화합물을 탐지할 수 있는 바이오센서 상용화의 길을 열어 놓았다. 현재 나와 있는 바이오센서 기반의 약품 검사 시스템 중에서 가장 두각을 나타내는 것은 바이어코어의 분자 수체구조를 검사하는 종합 시스템이다. 이 제품은 약품 화합물 작용의 정도와 작용체계를 실험하고 각 분자간의 상호작용을 신속하게 분석할 수 있게 해준다.

약품오용을 탐지하는 시스템은 분산환경에서 많이 사용될 것으로 보인다. 이러한 탐지시스템은 주로 중저가 제품이 될 것이다. 해군연구소는 현장에서 사용된 약품을 실험할 수 있는 휴대형 유체 면역 바이오센서를 개발했다. 이를 사용하면 소변에 함유된 5ng 정도의 코카인을 45초 이내에 탐지할 수 있다. 바이오센서애플리케이션스웨덴은 예루살렘의 히브루대학 및 와이즈만과학연구소와 공동으로 코카인, 헤로인, 암페타민(중추신경을 자극하는 각성제) 분자 등을 다른 제품보다 낮은 비용으로 탐지할 수 있는 휴대형 증기 탐지 시스템을 상용화했다. 이 바이오센서는 수정 결정 미량천칭(microbalance) 시스템을 사용한다.

▶ 환경 오염 감시=바이오센서는 수질이나 대기를 오염시킬 가능성이 있는 광범위한 유독성 화학물질을 현장에서 신속하게 탐지할 수 있다. 기존의 환경감시 기술은 오염 샘플을 채취해 실험실로 갖고 가서 분석하기 때문에 오염발생 즉시 그 위험에 대한 경고를 발표하지 못했다. 현재 몇 가지 형태의 환경 감시 바이오센서가 개발되고 있다. 여기에는 완전 세포, 효소, 항체, 수체 단백질, 리보솜 등을 비롯한 광범위한 생체 구성요소가 사용된다.

완전 세포 바이오센서는 세포가 유독성 물질에 노출돼 그 작용이 지장을 받는 상태를 탐지한다. 세포의 형태는 광합성 박테리아, 뉴론, 포유동물 세포 등 다양하다. 완전 세포 바이오센서가 환경오염 감시에 적용될 수 있다는 것이 입증되기는 했지만 몇 가지 문제점이 있다. 완전 세포 바이오센서 시스템은 대부분 살아있는 세포를 사용해야 하기 때문에 특별하게 취급해야 하고 사용이 복잡해지기 쉽다. 그럼에도 불구하고 몇 개 업체와 대학 등에서 살아있는 세포 바이오센서를 개발했다. 또 효소 기반의 바이오센서와 항체 기반 바이오센서를 개발한 업체들도 있다.

많은 전문가들이 환경 감시용 바이오센서 시장의 잠재력을 의심하지 않지만 기존 화학실험 방식과의 경쟁을 무시해서는 안된다. 바이오센서가 환경오염 감시부문에서 널리 사용되려면 관계 당국의 승인을 받고 기존 경쟁 제품에 대해 가격 경쟁력이 있도록 해야 한다. 환경 분야와 밀접한 관계가 있는 곳이 군사 및 방위부문이다. 이 부문에서 생화학전의 매체를 신속하게 감지하는 데 바이오센서가 유용할 것이다.

▶ 기타=이밖에 바이오센서는 어류 양식, 가축진료 등에 사용할 수 있다. 이 센서는 메기, 송어, 새우 등 각종 어류의 양식에서 수질과 영양소 및 물고기의 상태 등을 지속적으로 감시할 수 있다. 현재 포도당 감지와 같은 인체 건강관리를 위한 바이오센서에 대한 관심은 매우 높으나 농업이나 가축진료를 위한 센서개발에는 소극적이다. 하지만 앞으로 이 분야 시장도 확대될 가능성이 높다. 특히 동물들은 자신이 느끼는 것에 대한 정보를 수의사에게 전달하지 못하기 때문에 수량적인 결과를 생성하는 바이오센서가 이 부문에서 매우 유용할 것이다.

바이오센서-기술의 중요성

바이오센서는 분석적 측정 분야의 강력한 새로운 기술로 떠오르고 있다. 바이오센서는 특정 유기 또는 무기물질의 유무 또는 농도를 지속적으로 정확하고 즉각 탐지할 수 있다. 바이오센서가 기존 측정기술보다 우수한 점은 좁은 것에서부터 넓은 것에 이르는 광범위한 애널라이트 파장영역을 실시간으로 감지할 수 있어서 분산방식의 애널라이트 실험을 가능하게 해준다. 또 단점은 자연환경 밖에서는 생물 분자가 불안정해서 저장수명에 단축된다는 점이다.

바이오센서의 응용분야는 건강관리, 생산공정 제어, 농업, 수의과, 방위산업, 환경오염 감시 등이며 그 중에서도 건강관리, 특히 환자 감시용으로 가장 많이 사용되고 있다. 이들 모든 응용 부문에서 공통적으로 필요한 것은 급격히 또는 빠르게 진전되는 사항에 대한 현장의 실시간 화학적 정보다. 이것이 제대로 이루어지면 생산공정의 효율성을 높이고 안전법규를 더욱 충실히 입법할 수 있을 뿐 아니라 위험성이 있는 화학물질에 대한 근로자들의 노출을 감시할 있게 될 것이다.

하지만 비(非)건강관리부문에 사용되는 바이오센서에 대한 수요는 가격이 내려가고 기술의 신뢰도가 높아져야 촉진될 것으로 보인다. 바이오센서의 상용화는 주요 전자 및 생명과학 업체들이 주도해 왔으나 이들 업체는 기술이나 판매망의 부족 또는 제품 차별화의 실패 등의 이유로 이 부문에서 철수 또는 포기할 상황에 놓여 있다.

바이오센서산업의 발전에 걸림돌이 되는 요인은 대량생산이 어렵다는 점과 현재 나와 있는 대부분의 제품이 단독 또는 몇 가지 용도로밖에 사용할 수 없다는 사실이다. 또 하나의 이오센서 안에 전자적인 요소와 생물학적인 요소를 결합해 넣기가 어렵고 그렇게 하려면 비용이 매우 많이 든다는 것이다. 관련업계는 바이오센서를 상용화하는 데 1000만∼2000만달러가 소요되는 것으로 추산하고 있다.