바이오인

나노바이오 기술은 나노생명공학, 나노의약기술 등 새로운 분야의 연구 개발을 가능하게 한다. 특히 나노바이오 기술은 기존의 방식으로는 연구하기 힘들었던, 나노 스케일의 바이오 메커니즘에 대한 연구를 수행하여 응용할 수 있게 함으로써 새로운 영역으로 부각되고 있다.

 

나노바이오 기술의 한 예로 랩온어칩을 들 수 있다. 랩온어칩은 말 그대로 생물학, 화학 실험실의 구성 요소를 미세화(scale down)하여 하나의 칩에 구현함으로써 기존의 실험을 하나의 칩에서 수행할 수 있도록 하는 것을 의미한다. 랩온어칩을 이용한 실험은 미량의 생체 시료 및 시약을 이용함으로써 분석의 효율성 및 정확성을 꾀할 수 있고, 하나의 단일 세포의 생물학적, 화학적 반응을 검출할 수 있도록 함으로써 나노바이오 기술의 발전에 기여할 수 있다. 랩온어칩을 제작하기 위해서는 다양한 실험 장비를 구현하기 위한 미세 구조물을 제작하는 기술과 제작된 구조물에 생체 시료 및 시약의 반응을 유도하고 조절할 수 있는 미세 유동 조절 기술이 필요하다. 이러한 기반 기술을 조합하고 통합함으로써 랩온어칩의 다양한 분야로의 활용이 가능하다.

 

신약 개발이 이루어지기 위해서는 다양한 독성 실험 및 성능 평가 실험이 이루어져야 한다. 전통적으로 이러한 독성 실험은 동물 실험과 같이 매우 느리고 비용이 많이 드는 실험들을 통해 이루어졌다. 따라서, 보다 간단하고 저렴한 비용으로 다양한 농도에 대한 세포 독성 실험의 중요성이 대두되었다. 특히, 신약 개발 과정의 중-하반부에 엄청난 고가의 실험들이 효율적으로 이루어지게 하기 위해서는 초기 실험 단계부터의 sensitivity를 높이는 것이 무엇보다 중요하다.

 

랩온어칩을 이용한 세포 독성 실험은 이러한 면에서 매우 유용하다. 세포 독성 실험용 랩온어칩의 특징은 다음과 같다. 랩온어칩 내의 특정한 곳에 동일한 조건을 갖는 여러 세포를 배양할 수 있어 동일한 상태의 실험조건을 확보할 수 있다. 또한 다양한 크기의 파이프 라인(micro channel)을 통하여 배양액과 시약을 다양한 농도로 공급해 줄 수 있어 한 번에 다양한 농도를 갖는 독성 테스트를 수행할 수 있는 실험 조건을 확보할 수 있다.

 

줄일 수 있는 이점이 있다. 그러나, 동일한 실험 조건에서 극미량의 시약을 이용하여 다양한 시약의 농도를 구현하고 실험할 수 있어 정확하고 빠른 실험 결과를 구현할 수 있다는 것이 가장 큰 장점이 될 것이다.이러한 조건에서 수행된 세포 독성 실험은 기존의 실험 조건에서 보다 정확하고 빠른 실험을 수행할 수 있다. 아주 미세한 양의 시약과 배양액을 이용하여 실험이 가능하기 때문에, 실험에 소요되는 비용을 절감할 수 있을 뿐 아니라, 다량의 폐시약 및 배양액에 의한 환경오염도

 

세포는 생물체가 기능을 수행하는 최소단위로서 여러 가지 화학 변화와 물질 변화 그리고 에너지 변환이 일어남으로 해서 생명의 중심을 이루는 일을 계속 수행할 수 있다. 이 가운데에서도 특히 세포의 신호전달 체계(Cell Signaling)에 대한 메커니즘을 분석하고 활용하는 것은 생명 현상을 이해하는데 중요한 단서가 된다.

 

이러한 세포의 신호전달 체계를 알아보는 기존의 방법에는 reporter gene(a-galactosidase, luciferase)을 이용하는 방법, Electrophoretic Mobility Shift Assay(EMSA, gel retardation assay)방법 등이 있다. 그러나, 이러한 방법에는 시료의 전처리 과정(sample preparation)이 복잡하고 시간이 많이 필요하게 되며 정량적인 데이터를 확인하기 힘든 단점이 있다. 뿐만 아니라 실험에 이용하기 위한 세포 배양 과정 세포 고정(fixation), 용해(lysis), 세척(washing) 및 염색(staining)-에 의한 인위 처리 과정이 진행되어야 한다. 이러한 과정에서 나타날 수 있는 오류는 실험의 정확성을 떨어뜨리는 요인이 된다. 특히, mRNA의 경우 시간, 온도, 사용자의 숙련도 등에 따라서 특성이 매우 빨리 변화되기 때문에 많은 실험적 오차를 유발하기도 한다.

 

기존의 실험법의 문제점을 보완하기 위한 방안으로 랩온어칩을 이용한 HCS 시스템을 고려할 수 있다. 이는 하나의 세포를 조절할 수 있는 랩온어칩, 랩온어칩을 구동할 수 있는 구동 장비 및 세포의 반응 결과를 관측할 수 있는 광학적 측정 장비를 구성된다. 이러한 HCS 시스템은 기존의 실험 방법에 비해 다음과 같은 장점을 가진다. 정제 과정이나 분리과정을 수행하지 않아도 되므로 세포 고정 등의 인위 조작을 하지 않아도 된다. 세포를 용해시키지 않고 그대로의 현상을 관찰할 수 있고 시간에 따른 세포 고정 실험이 아니므로 실험의 부정확성 및 오차를 크게 줄일 수 있다. 시약 처리 후에 표현되는 세포의 형질(phenotype)의 변화를 알아봄으로써 실험 시간을 단축시킬 수 있는 장점이 있다. 이러한 장점으로 HCS 시스템에서는 한 번의 실험을 통하여 다양한 변수를 확인하고 측정할 수 있어 세포 기반의 실험(Cell-based Assay)의 가장 강력한 도구(tool)로 이용될 수 있다.

 

 

원하는 세포에 특정 시약 및 다양한 시약의 농도에 따른 세포의 반응을 연속적이고 다각적인 측면에서 관측 및 분석할 수 있는 장점이 있다. 세포를 이용한 생물학, 화학적 실험 방법이 발달함에 따라 하나의 세포를 이용하여 세포를 조작하고 신호를 검출하고자 하는 노력이 시도되고 있다. 이처럼 하나의 세포를 기반으로 하는 실험에 대한 중요성이 대두됨에 따라서 다양한 세포로부터 특정한 세포를 분리, 이동 및 위치조절을 할 수 있는 기반 기술이 중요한 요소 기술로 부각되고 있다. 이러한 기술은 랩온어칩은 단일 생체 분자 검출 기술을 구현하고자 하는 핵심 기술을 제공한다. 랩온어칩은 미세 유동 조절 기술 및 미세 구조물 혹은 전극(electrode)을 통하여 다양한 세포 중에서 특정한 세포(target cell)을 분리 해 내고, 분리된 세포를 프로그램 된 위치로 옮기며 다양한 외부의 장(field)를 이용하여 세포의 위치를 여러 형태로 조절할 수 있게 한다. 뿐만 아니라 선택된 세포에 대한 다양한 화학적, 물리적 자극을 통하여 단일 세포의 외부 자극에 대한 반응 메커니즘을 실시간으로 관측하고 분석할 수 있다. 이는 다양한 형광 측정법을 이용하여 분석할 수 있으며 컴퓨터 프로그램을 이용하여 데이터를 분석할 수 있게 한다.

4. DNA computing

 

랩온어칩을 이용한 나노바이오 기술이 발달해 감에 따라, PCR(Polymerase Chain Reaction) 반응과 젤 전기 영동(Gel Electrophoresis) 반응 등을 적은 양의 시료를 이용하여 짧은 시간 동안에 수행할 수 있게 되었다. 이러한 기술은 특정 DNA의 증폭과 분리 과정을 빠른 시간 내에 수행할 수 있게 함으로써 다양한 분야에 활용될 수 있다. 대표적인 활용 분야로 DNA computing 기술이 있다. 이는 기존의 컴퓨터를 이용하여 풀던 문제를 DNA 분자들로 표상하여 생물학 실험실에서 사용되는 여러 가지 실험 방법들을 연산자로 이용하여 계산하는 방법이다. 이처럼 생체 분자를 이용하여 정보처리를 하려는 분자정보처리기술 중 DNA computing 기술은 현재 가장 큰 실용화 가능성을 보이고 있으며 많은 연구가 진행되고 있는 분야이기도 하다.

 

DNA computing에는 크게 4단계의 전략이 있다. 우선, 주어진 문제를 DNA 염기 서열 상에 효과적으로 디자인하여 표현하고 가능성이 있는 모든 경우를 발생시키기 위해, 제작된 DNA를 이용하여 화학반응을 수행한다. 여기에서 여러 가지 생화학적인 실험방법을 이용하여 주어진 문제의 조건을 만족하는 DNA가닥을 찾아내어 DNA 염기서열이나 형광의 세기를 해석함으로써 해답을 찾아낼 수 있다. 이러한 기술은 칩이나 기계에 소형화, 자동화 및 집적화가 이루어져야 궁극적인 DNA computer를 구현할 수 있다.

 

이러한 과정을 신속하고 정확하게 구현하기 위해서는 MEMS 기술에 기반하고 있는 랩온어칩 기술과의 접목이 필수적이다.

 

이처럼 랩온어칩 기반 기술을 이용한 나노바이오 기술은 기존의 실험 방식이 갖고 있는 한계를 뛰어넘어 다양한 대상과 방법을 이용한 실험 방식을 제공할 수 있다. 때문에 미국과 유럽을 비롯한 세계 각국에서 랩온어칩 기술을 개발하고 응용하기 위한 연구가 수행 중 이며, 연구 개발 중 파생된 기술을 이용하여 간단한 랩온어칩을 개발, 상품화가 진행 중이다.

 

미국의 Oak Ridge National Lab. 및 Caliper Technology에서는 랩온어칩을 이용한 전기 영동 분리 소자를 개발하여 응용한 상품을 개발 중이다. Cepheid에서는 micromachining과 microfluidics 및 microelectronics 기술을 이용하여 생물학적 연구나 유전자 관련 진단 및 처지에 사용될 자동화된 랩온어칩 시스템 개념의 MicroBE를 개발하고 있다. 이 시스템은 PCR과정을 빠르게 진행 할 수 있을 뿐만 아니라 휴대가 가능하다는 장점이 있다. 또한 on-board 상에서 시료가 준비되며, 시료를 카트리지에 채우고 삽입한 후 단추만 누르면 자동으로 작동하는 간단한 구조로 되어있어 기존의 실험 과정을 정확하고 간단하게 진행할 수 있다는 장점이 있다. Caliper Technologies에서는 랩온어칩 기술을 이용한 Multi-sipper chip을 적용한 continuous-flow HTS(High Throughput Screening) 시스템을 개발하였다. 이는 기존의 plate-based HTS 시스템에 비하여 훨씬 빠르고 경제적이며 재현성이 우수한 것으로 보고된다.

 

국내의 경우, ㈜디지털바이오테크놀러지에서 랩온어칩 관련 연구를 수행 중 이며, 상품화 개발에 성공하였다. 이는 미세 유체를 이용하여 미세 유동 내에 있는 세포의 개수를 측정하고 원하는 세포를 분리할 수 있도록 한 것으로 Cell viability test, GFP detection, Apoptosis analysis 등 다양한 기능을 수행할 수 있다. 이 외에도 혈액을 이용하여 혈액의 특성을 분석하고 더 나아가 혈액 속에 있는 적혈구의 특성을 분석할 수 있는 랩온어칩 및 시스템도 개발 중이다.

 

미래 유망기술 중의 하나인 나노기술과 바이오기술의 융합은 미래 국가경쟁력의 필수요소로서 나노바이오 기술개발을 시급히 서두르는 것이 국가의 숙명적 과제이다. 다행히 정부에서는 2002년을 “나노-바이오의 해”로 선포한 바 있고, 2010년까지 나노바이오 관련 기술 경쟁력 확보를 목표로 중점개발대상으로 선정한 핵심기술의 개발을 적극 추진해 나갈 계획이어서 랩온어칩을 이용한 나노바이오 기술의 전망은 매우 밝다.

 

많은 전문가들이 우리 나라의 경우 각종 바이오 분야의 기초기술력이 선진국에 근접한 수준이므로 이를 랩온어칩 기술과 접목할 경우 나노바이오 기술분야에 대해 대등하게 기술경쟁을 벌일 수 있는 가능성이 충분할 것으로 보고 있다. 우리나라는 선진국에 비해 기술력이나 인적자원이 부족하지만, 세계적으로도 랩온어칩을 이용한 나노바이오 관련 기술이 개념 정립 단계이므로 범 국가적 차원에서 선택과 집중을 함으로써 선진국과 대등하게 기술경쟁을 벌일 수 있을 것으로 보인다. 1990년대 후반부터 일기 시작한 랩온어칩 기술 개발이 근래에 들어 전 세계적으로 본격화되는 상황이므로 선진국과의 기술 격차를 줄이거나 나아가 추월할 수 있는 여지가 충분하다.

 

랩온어칩 기술은 기술 수준의 난이성, 기술의 파급 효과와 경제적, 산업적 가치가 매우 높은 신 융합기술로서 21세기 생명과학의 혁명을 가능하게 하는 도구(tool)이라 할 수 있다. 국내외적으로 나노 바이오 산업의 중요성이 강조되고, 활발한 투자가 이루어지고 있어 향후 나노바이오 기술의 근간이 될 랩온어칩 산업은 급속한 발전과 함께 우리 생활의 큰 변화를 가져다 줄 것이다.

▶ 참고 문헌

 

Kovacs, G. T. A., 1998, Micromachined Transducers Sourcebook, WCB/McGraw-Hill

Harvey C. Hoch, Lynn W. Jelizski, Harold G. Carighead, 1996, “Nanofabrication and biosystems”, Cambridge university Press

Microfluidics-downsizing large-scale biology 2001 Nature Publishing Group

Bechman Institute for advanced science and technology, Annual report 2001

Philip S. anton, Richard Silberglitt, Jamse Schneider, The glabal technology revolution, National Defense Research Institute

Jonathan Freund, The nanofluidics and biology group, proceedings of the summer program 2000