바이오인

출처: biozine

바이오나노칩

1. 바이오칩

바이오칩이란 유리 같은 고체 기질 위에 많은 종류의 DNA나 protein 같은 바이오 물질을 높은 밀도로 집적시켜 붙여놓은 것이다. 이때 DNA를 집적시켜 놓으면 DNA 칩, protein을 집적시켜 놓으면 protein 칩이라 명명한다. 현재 전세계적으로 DNA 칩에 대한 많은 연구가 수행되고 있으며 protein 칩의 경우에는 선진국에서도 시작 단계에 있는 바 여기서는 주로 DNA 칩의 경우를 살펴보겠다. DNA 칩의 작동원리는 고체 기질위에 붙여놓은 probe DNA와 검색하고자 하는 target DNA 사이의 선택적인 혼성화를 통해 target DNA 내에 찾고자 하는 DNA의 sequence가 존재하는지 또는 target DNA의 염기 배열이 어떻게 되어있는지를 밝히는 것이다. 이러한 DNA칩의 가장 큰 장점은 기존에 사용되었던 유전 공학적인 방법인 Southern과 Northern blot, 돌연변이 검색 그리고 DNA sequencing 방법들보다 훨씬 짧은 시간에 적은 시료를 가지고 많은 유전자를 검색할 수 있다는 것이다.

2. 바이오나노칩

바이오나노칩이란 바이오칩에 나노기술이 접목된 것으로 다음과 같은 두 가지의 경우를 모두 포함한다고 할 수 있다. 즉 칩의 제작과정에서 바이오 물질들을 고체 표면에 집적시킬 때 각각의 픽셀의 크기를 수 십 혹은 수 백 나노미터 정도의 크기로 고집적화시켜 칩을 제작하는 것과 나노기술을 바이오칩에 융합시켜 선택도, 감도 등 특성을 개선하는 것이다.

2-1. 바이오칩의 제작과정에 나노패턴기술이 접목된 바이오나노칩

DNA chip은 여러 가지로 제작될 수 있지만 미리 합성된 DNA를 표면에 붙이는 방법과 고체기질 위에서 화학적인 방법으로 DNA를 하나씩 길러나가는 방법의 두 가지로 크게 나눌 수 있다.

미리 합성된 DNA (이 경우는 oligonucleotide)를 pin microarray 방식이나 inkjet 방식으로 고체 표면에 붙여 DNA chip을 제작할 수 있는데 pin microarray 방식은 Stanford 대학의 생화학과 교수인 Patrick O. Brown 교수에 의해 개발되어 현재 많이 사용되고있는 방법으로 pin의 끝부분에 미리 합성된 DNA의 샘플 용액을 일정량 loading한 후 고체기질과 접촉함으로써 원하는 위치에 원하는 probe DNA를 배열시킬 수 있는 방법이다. Inkjet 방식은 pin 방식과 거의 유사하나 pin 대신에 computer inkjet printer에서 쓰이는 것과 같은 원리의 cartridge를 사용하여 고체기질과의 접촉이 없이 DNA를 고형체 위에 뿌리는 방법이다. 지금까지 뿌리는 방법에 따라서 thermal, solenoid 그리고 piezoelectric의 3가지 방법이 있다.

그림 1. 미리 합성된 DNA를 고체 표면에 붙이는 방법

a pin microarray 방식 b inkjet 방식



고체기질 위에서 화학적인 방법으로 DNA를 하나씩 길러나가는 방법으로도 DNA 칩을 제작할 수 있다. 현재 DNA chip 분야에 있어 선두주자라고 할 수 있는 미국의 Affymetrix (silicon valley 소재)라는 회사는 computer 산업계에서 computer chip을 만들기 위해서 쓰는 photolithography라는 기술을 사용하여 수 만개의 다른 염기 (nucleotide)들을 하나의 유리 위에 직접 합성하는데 성공하였다. 아마도 이 기술은 20세기를 대표하는 computer 산업과 21 세기를 대표할 생명공학 산업의 절묘한 결합이라 할 수 있다. Affymetrix DNA chip의 합성과정을 잠시 살펴보자. Oligonucleotide가 합성되는 유리의 표면은 각각의 염기들이 결합할 수 있는 보조체가 붙어 있는데 이들 보조체는 평소에 빛에 민감한 화학 물질로 덮여 있다. 특별히 설계된 photomask를 위에 놓고 빛을 쏘이면 구멍이 나 있는 곳으로 빛이 들어가 그곳에 있는 보조체의 화학물질들을 제거한다. 이렇게 화학물질이 제거된 보조체들을 가진 chip을 한가지 염기가 있는 곳에 넣으면 모든 활성화된 보조체들에 염기가 합성된다. 물론 각각의 염기들도 빛에 민감한 화학물질로 덮여 있어 한 개씩 밖에 합성이 안된다.

그림 2. Photolithography를 이용해서 고체 기질 위에 oligonucleotide를 합성하는 과정



그림 3. Affymetrix DNA chip 제작 과정



이러한 chip을 씻은 다음 다시 다르게 설계된 photomask를 이용하여 빛을 쏘여 주면 빛을 받은 부분의 보조체만 제거되어 다음 염기들과 반응할 수 있게 되는 것이다. Affymetrix는 이 기술을 사용하여 현재 1.28 cm2 안에 400,000개의 다른 oligonucleotide를 가진 chip을 만들 수 있다 (이 경우 한 종류의 oligonucleotide는 약 20㎛ x 20㎛의 픽셀을 갖는다.).

위의 두 가지 방법에 의해 제작되는 DNA 칩은 모두 각각의 픽셀의 크기가 수 십에서 수 백 마이크로미터의 크기를 갖는다. 즉 현재의 기술로 만들 수 있는 DNA 칩은 바이오마이크로칩이라 볼 수 있다. 만약 나노기술의 발달로 DNA 칩의 제작에 나노 패턴기술을 접목시킬 수 있다면 현재의 바이오마이크로칩 대신 바이오나노칩이 실현될 것이며 지금보다 훨씬 많은 정보를 한 번의 실험으로 얻을 수 있을 것이다. 이를 실현하기 위해서는 다음과 같은 문제점들이 해결되어야 한다. 먼저 미리 합성된 DNA를 pin microarray 방식이나 inkjet 방식으로 고체 표면에 붙여 DNA 칩을 제작하는 방법의 경우는 수 십 혹은 수 백 나노미터 크기로 샘플을 spotting할 수 있는 작은 pin을 제작하거나 한 번에 피코리터에서 펨토리터 (pl~fl)를 분주할 수 있는 노즐을 제작하여야 한다. 또한 이렇게 적은 양의 샘플이 표면에 spotting되거나 분주되었을 때 고체 표면의 작용기와 DNA 사이에 화학 반응이 진행되는 시간동안 용매의 증발을 방지할 수 있어야 한다. 아울러, microarrayer에서 사용되는 robot arm의 공간정밀도가 매우 높아서 한 spot을 찍고 다른 샘플을 가져왔을 때 수십 또는 수백 나노미터 간격을 정확하게 유지하면서 다음 spot을 찍을 수 있어야 한다.

Photolithography 방법을 이용하여 나노칩을 제작하기 위해서는 우선 광반응에 쓰이는 빛의 선폭을 줄여야 한다. 현재 반도체 공정에서 1 Gb 메모리의 반도체를 생산하기 위해 사용하는 248 nm 파장의 KrF 엑사이머 레이저 노광 기술을 도입하면 180 nm정도의 패턴을 구현할 수 있다. 또한 현재 연구되고 있는 소프트 X-선 혹은 extreme UV (0.3 ~ 10 nm; 40 ~ 1500 eV)를 이용할 경우 훨씬 작은 패턴을 구현할 수 있을 것이다. 물론 이 경우 사용되는 빛의 파장이 현재 사용되고 있는 빛의 파장과는 다르므로 빛에 의해 선택적으로 제거 되는 보조체의 개발도 아울러 수행되어야 하며 검출과정에서 현재 상용화되어 있는 형광 scanner (최대 해상도 5㎛ x 5㎛)의 해상도 또한 나노미터 수준으로 높여야 한다. 위에서 살펴본 바대로 나노미터 크기의 픽셀을 갖는 나노 DNA 칩의 제작에는 여러 가지 풀어야 할 문제점들이 존재한다. 그러나, 현재 전세계적으로 불고 있는 나노열풍은 위와 같은 문제점들을 조만간 해결할 수 있을 것이라 생각한다.

2-2. 바이오칩의 검출과정에 나노기술이 접목된 바이오나노칩

Mirkin은 DNA 칩의 검출과정에서 현재까지 많이 사용되고 있는 형광이나 전기화학적 방법과는 다른 gold nanoparticle을 사용하는 방법을 제시하였다. 즉 고체 기질 표면에 probe oligonucleotide (12mer)를 붙인 후 이와 혼성화를 할 수 있는 target oligonucleotide (27mer)와 이 target의 여분의 말단과 혼성화할 수 있는 oligonucleotide (15mer)가 붙어있는 13 nm 크기의 gold nanoparticle을 동시에 혼성화시켰을 때 육안으로도 혼성화의 여부를 알 수 있으며 이 기질을 silver(I) 용액에 담근 후 silver를 gold 표면에서 환원시켰을 때 혼성화를 감지할 수 있는 감도가 형광을 사용하였을 때 보다 약 100배 정도 증가함을 보였다.

(그림 4, Mirkin et al, Science 2000, 289, 1757).

또한 gold nanoparticle이 크기에 따라 서로 다른 색을 낼 수 있음에 착안하여 다른 종류의 oligonucleotide를 서로 다른 크기의 gold nanoparticle에 붙인 후 혼성화를 검출하는 방법을 개발하였다 (그림 5, Mirkin et al, JACS, 2001, 123, 5164). 이러한 gold nanoparticle을 이용한 DNA 칩의 검출방법은 기존의 방법과는 완전히 다른 새로운 방법을 제시한 것으로 나노기술이 DNA 칩의 검출분야에 적용된 좋은 예라 할 수 있다.

그림 4. Gold nanoparticle을 이용하여 혼성화를 감지하는 모식도



그림 5. 두 종류의 서로 다른 크기 (50nm와 100nm)를 갖는 gold nanoparticle을 이용해 혼성화를 검출하는 모식도. 서로 다른 크기의 gold nanoparticle은 서로 다른 색 (푸른색과 오렌지색)을 낼 수 있다.



이상에서 살펴본 바대로 바이오칩은 짧은 시간에 바이오 물질들에 대한 많은 정보를 인간에게 제공할 수 있는 획기적인 기술이다. 현재의 바이오칩 제작 기술에 나노 기술이 접목되어 나노미터 크기의 픽셀을 갖는 바이오나노칩을 제작한다면 현재의 칩보다 수 십만 배 이상의 정보를 한꺼번에 얻을 수 있을 것이다. 아직 까지는 바이오나노칩의 제작에 많은 문제점들이 존재하지만 조만간 이 문제점들을 해결한 바이오나노칩이 등장할 것으로 기대된다. 또한 나노기술이 바이오칩의 검출등의 분야에 응용된다면 현재의 기술로는 검출하기 힘든 mutation에 대한 신뢰성 있는 정보도 얻을 수 있을 것이다.

3. 관련 웹사이트들

1. http://chem.postech.ac.kr/~jlab

2. http://www.Genechip.co.kr

3. http://www.affymetrix.com

4. http://www.nanogene.com

5. http://cmgm.stanford.edu/pbrown/

6. http://www.microsensor.com/

7. http://arrayit.com

8. http://www.cartesian.com