바이오인

 

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1. 서론

□ 나노바이오기술이란 바이오, 화학, 물리학 및 체계공학 지식이 총동원되어 바이오칩, 분자모터, 나노결정, 나노바이오물질 등을 만드는 기술을 총칭한다.

□ 나노바이오기술에는 분자자기결합(self-assembly), 원자력간현미경 (atomic force micros, AFM), 거대분자(supramolecular)화학, 덴드리머(dendrimer: 탄소원자들로 이루어진 축에 여러 원소들이 가지를 이루고 있는 고분자들), 분자구조의 복사, 폴리머집적회로, 리소그래피, 생물학적 골격제조(biological scaffolding) 등의 다양한 기술들이 동원
된다.

□ 나노바이오기술의 궁극적 목표는 DNA, RNA, 단백질, 대사물질 등을 분석하고, 초고속의 Sequencing Device(DNA의 뉴클레오티드의 서열을 알아내는 장치)의 설계, 미생물 연료전지, 생체이식물질, 분자모터, 인공장기 및 나노로봇 등을 개발하는 것이다.

□ 나노물질분자를 만드는 방법은 두 가지가 있다. 우선 ‘Top-Down’방법은 바이러스의 껍질을 벗겨서 캡시드(capsid: 바이러스의 핵산을 싸고 있는 단백질)를 분리해 내는 것과 같이 어떤 복합물질을 쪼개서 그 구성물질을 얻는 방법이다. 또 한 가지는 ‘Bottom-Up'방식으로서 분자 단위로부터 새로운 거대분자를 만드는 방법이다.

 

□ Bottom-Up방식의 접근은 나노물질을 제조하는 기본으로서 이는 각 분자들의 구성 원소들의 기하학적 구조와 결합특성 등 화학적 특성을 깊이 있게 이해해야만 가능한 방법이다.

 

□ 나노과학과 생물학이 만나서 자연에서 일어나는 생화학적 특성을 모방하여 여러 분야에 괄목할만한 발전을 이룩하였다. 예를 들면, 삼차원 생체조직용 나노섬유의 합성, 펩타이드 또는 단백질의 나노튜브와 나선형 리본의 조립, 생체용 마이크로 렌즈의 창생, DNA 기판 상에 금속 나노와이어의 합성, 펩타이드와 단백질의 제조, 세균분해 바이러스에 의한 전자소재의 생산, 분자운동을 조절하기 위한 라디오 주파수의 이용 등 실로 다양한 분야에서 연구 결과들이 보고되고 있다.

 

□ 나노로봇을 이용해서 나노장치들을 조립하는 기술이 새로운 조립기술로 떠오르고 있는데, 여기에는 주사탐침현미경이 이용된다. 또한 자기결합에 의해서 단일 가닥의 DNA로부터 나노 크기의 육면체 구조를 합성하는데 성공하였는데, 이 기술은 단순한 조성으로부터 복잡하면서
도 잘 정돈된 구조의 거대 분자를 만들 수 있는 기반으로 인정되고 있다.

 

□ 이 외에 산화아연의 단결정 나노고리(nano-ring)가 합성되었는데, 이 나노고리를 이용해서 더 복잡한 나노장치를 만들 수 있다. 생체모사 (biomimetic) 실리카에 효소를 고정시키는 기술은 생화학분자의 활동은 유지하면서 이를 어느 물질 내에 고정시킬 수 있기 때문에 생화학 촉매, 나노배열, 생체이식물질 등에 유용하게 활용될 수 있을 전망이다.

 

□ 또한 근육수축에 관여하는 미오신(myosin) 단백질을 이용한 분자모터, 바이러스의 구조를 활용해서 ZnS, CdS, CoPt, FePt 등의 나노와이어가 합성되고, 생체면역기능을 감시할 수 있는 핵산-단백질 복합물질의 제조와 산화몰리브덴의 클러스터(Cluster)를 자기결합을 시켜서 나노 크기의 교질구조(Cicellar Structure)를 합성하는데 성공하기도 하였다.

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□ 바이오물질들의 구조와 기능을 이해하면 탐지, 구동, 치료기능 등을 수 행할 수 있는 다기능물질들을 개발할 수 있다. 즉, 생체시스템이나 이를 구성하고 있는 물질들의 구조와 기능을 모사해서 인공합성물질이나 시스템을 개발할 수 있다. 그 몇 가지 예를 다음에 소개하겠다.

□ 생체 내의 약물전달체계(in vivo drug delivery)
현재 바이오나노기술에서 가장 비중 있게 연구되고 있는 분야가 약물 전달체계이다. 여기에는 다양한 종류의 새로운 물질과 방법들이 요구되고 있는데, 약물이 필요한 위치에 전달되어 약물기능을 활성화시키고 이렇게 전달된 약물의 확산을 조절할 수 있는 전달기구와 지능형의 나노구조를 갖는 전달시스템의 표면물질 등의 개발과 함께 이 약물전달 체계를 탐지나 이식(implant)과 연계하는 방법 등이 연구되고 있다.

 

□ 미생물연료전지(microbial fuel cell)
미생물연료전지는 글루코오스를 직접 산화시켜서 전기를 생산할 수 있다.  실제로 농업, 공업, 도시생활 쓰레기에서 발생되는 바이오매스는 에너지원인 탄수화물을 풍부하게 포함하고 있다. 이러한 탄수화물을 발효시켜 에탄올을 얻고, 다시 이를 분해시켜서 수소를 얻을 수는 있으나 이러한 공업적인 방법들은 비용이 많이 들기 때문에 경제성이 없다. 따라서 바이오매스로부터 전기에너지를 직접 얻을 수 있다면 훨씬 경제적일 것이다. 바이오매스는 금속 촉매를 이용하는 기존의 연료전지개념을 그대로 사용할 수가 없다. 그러나 해양 침전물에서 분리된 Rhodoferax Ferrireducens라는 박테리아를 이용하면 글루코오스와 같은 단당류를 CO2로 산화시키면서 전자를 직접 전극으로 전달시킬 수 있다는 연구결과가 보고되었다. 이 미생물은 번식하고 생존하는데 필요한 에너지를 단당류를 섭취하여 얻기 때문에 대단히 안정적으로 장시간전기를 발생시킬 수 있어 실용화가 가능할 것으로 보인다.

 

□ 생체조직공학(tissue engineering)
나노구조를 갖는 물질은 세포 간 이동이 가능한데, 이는 생체조직공학이나 생체이식 등에 대단히 유용하게 활용될 수 있다. 세포들로 이루어진 유기체가 성장하고 유지되기 위해서는 세포 간의 정보 전달이 필수 조건이다. 최근 세포와 세포 간의 상호반응 메커니즘이 밝혀짐에 따라서 세포간의 이동이 가능한 나노물질을 활용해서 복잡한 구조를 갖는 인공구조물을 만들 수 있는 발판이 마련되고 있다.

□ 생체분자분석(analysis of biomolecules)
나노바이오기술은 새로운 생체분자분석장비를 개발하는데 큰 역할을 하였다. 물리적인 방법으로 생체분자를 관찰하고 이를 조작할 수 있는 기술은 생체분자의 구조와 특성을 파악하는 데는 물론 한 발 더 나아가서 생물체계를 모델로 해서 거대분자를 만들거나 자기결합기술을 이용한 나노물질을 만드는데 크게 기여하였는데, 이것은 생물학과 나노과학의 결합으로 가능해 졌다. 예를 들면, 주사탐침현미경(AFM)과 분자간력 현미경으로 생물시료들을 나노미터 수준에서 관찰할 수 있는데, 예를 들면 AFM으로 항원-항체 형성과정이라든가 효소활동, DNA 전사(轉寫, Tranion) 등을 관찰할 수 있다. 또한 바이오센서에서 탐지된 정보를 전달하는 바이오 트랜스듀서는 자기결합이나 분자압인 (molecular imprint) 기술을 활용해서 합성할 수 있다.

□ 전기화학적 DNA 센서(electrochemical DNA sensor)
전기화학적으로 DNA를 탐지하는 기술을 이용하면 대단히 예민한 감도와 높은 선택성을 갖고 저비용으로 특정 DNA 서열이나 질병을 유발하는 돌연변이 유전자 등을 찾아낼 수 있다. DNA를 기반으로 하는 전기 화학적 센서는 용액 내의 분자 또는 나노규모의 상호작용을 탐지하여
이 신호를 전기신호로 변환시키는 기술이 활용된다.

□ 전자기장(電磁氣場)을 이용한 세포활동의 관찰
단백질 아미노산의 측면사슬 또는 DNA에 연결된 금속나노결정은 전자기장에 의해서 영향을 받기 때문에 전기 스위치의 역할을 할 수 있다.  즉, 자기장이 없을 때에는 DNA가 정상적인 이중나선(二重螺旋, double helix)의 형태를 취하다가도 자기장을 걸어주면 금속나노결정이 영향을 받아 DNA의 형태가 변하게 된다. 전자기파는 생체조직을 통과할 수 있기 때문에 전자기에 영향을 받는 금속나노결정을 이용해서 물질의 분비나 흡수와 같은 복잡한 세포활동을 관찰하거나 조절할 수 있다.

□ 이상에서 소개한 여러 가지의 나노바이오기술 이외에도 단백질이나 효소의 Redox 시스템을 응용한 나노장치의 설계, 시약 없이 DNA의 염기서열의 확인, 분자 엘리베이터와 같은 나노분자기계의 합성, 전기나 빛으로 구동시킬 수 있는 분자모터, DNA를 분리할 수 있는 나노칩, 조직공학에서 골격물질(scaffolding materials)로 이용될 수 있는 나노섬유, 단백질의 구조를 새로운 각도에서 접근할 수 있는 단백질나노결정학 등 실로 다양한 분야에서 생물학과 나노기술이 융합하여 나노바이오기술을 발전시켜가고 있다.

□ 나노바이오기술은 나노물리학과 나노화학과 경계를 이룬다. 생물분야의 나노기술의 발전은 화학 및 물리학 분야의 나노기술, 특히 재료, 나노구조기술, 탄소나노튜브, 나노전자공학 등의 발전의 소산이다.

 

□ 예를 들면 다중벽탄소나노튜브(multiwalled carbon nanotube)는 바이오 분석시스템의 나노장치 부품으로 유용하게 활용될 수 있다. 또한 탄소나노튜브가 폴리머 필름 내에 배열된 나노기공막 구조를 만들 수도 있는데, 이러한 기공막을 형성하는 탄소나노튜브에 특정 분자만을 통과시키는 기능을 부여하면 생화학적 분리나 바이오센서에 적용할 수 있다.

 

□ 보통 삼차원 금속 내에서 전자의 이동은 소위 ‘Fermi-liquid Theory'에 의해서 설명될 수 있지만 금속의 크기가 작아지면 더 이상 이 이론을 따르지 않는데 이것은 물질의 크기가 작아지면 물질의 특성은 양자역학적인 영향이 두드러지기 때문으로서 이는 나노물질이 갖는 공통적인현상이다. 따라서 홀 겹 탄소나노튜브와 같은 나노물질들의 물리, 화학적 특성을 이해한다는 것은 분자규모의 장치를 설계하는 귀중한 밑거름이 될 것이다.

 

□ 광결정(photonic crystal)은 광전자 나노장치에 대단히 유용하게 사용된다. 실리콘 내의 불순물(doping)이 반도체의 특성을 나타내듯이 유전체 물질로 이루어진 광결정은 격자 내의 결함으로 인해서 조사(照査)된 빛을 통과시키지 못하고 가둬두는 특성이 있는데, 이를 이용해서 생화학 분야에 이용될 수 있는 광전자회로나 기타 나노장치를 설계할 수 있다.

 

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□ 나노바이오기술은 생물, 화학, 물리, 재료, 전자 등 여러 과학 분야의 학문을 활용해서 의학, 약학, 생화학 분야의 연구 개발을 활성화 시키는 주요기술이 되었다.

 

□ 분자로 이루어진 생체시스템에 대한 기본적인 이해와 이의 조작이 가능해지고 센서, 액추에이터, 생화학장치들에 대한 계속된 소형화 요구가 어우러져서 현재의 나노바이오기술을 탄생시켰다고 보아도 무방할 것이다.

 

□ 20세기의 IT, BT에 이어서 21세기는 NT(Nanotechnology)가 기술혁명을 일으켜 앞으로 짧게는 10년 길어도 20년 안에 이 기술이 인류의 삶의 질 향상에 크게 기여할 것이라는 예측 하에 선진국을 위시해서 세계 각국은 나노기술 연구 개발에 막대한 예산을 투자하여 기술경쟁을 벌이고 있다.

 

□ 이러한 기술 경쟁에서 뒤떨어지지 않기 위해서 우리나라도 ‘나노기술종합발전계획’을 수립해서 2005년까지는 나노기술개발을 위한 주요 인프라 구축을 완료하고 2010년까지 비교우위를 갖는 최소 10개 이상의 최고기술을 확보한다는 야심찬 목표를 설정하고 총 1조 5천억 원 가량을 투자할 전망이다.

 

□ 또한 나노기술 관련 국제협력활동 및 네트워크 구축을 강화하기 위해서 2004년 8월 24일부터 27일까지 ‘Nano Korea 2004'를 개최하여 선진국 나노기술 전문가들과 정보교류 협력의 장을 마련하는 등 그야말로 우리나라의 거의 모든 과학기술계는 나노기술에 총력을 기울이는 듯한 인상을 주고 있다.

 

□ 나노기술의 주요 분야 중에 하나가 바이오 분야인데, 특히 물리, 화학, 재료 등의 학문분야와 생물학이 융합해서 약물전달, 생체조직합성, DNA, RNA의 분석, 미생물 연료전지, 생체이식물질, 분자모터, 나노로봇 등의 개발 등 실로 다양한 분야에서 괄목할만한 성과들이 보고되고 있다.

 

□  이러한 의미에서 여기에서 분석한 논문은 2004년 6월에 발간된 나노바이오기술에 대한 리뷰논문으로서 최근까지의 연구동향과 전망을 폭넓게 그리고 치밀하게 조사 분석하여 관련 자료들과 함께 제시하였기 때문에 바이오 분야의 나노기술 전반을 이해하는데 큰 도움이 될 수 있는 자료라고 평가되어 관심있는 이들의 일독을 권고하는 바이다.