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[바이오리포트] 바이오나노 융복합 질병 진단 기술, 더 이상 미래 이야기가 아니다

강태준 책임연구원 / 한국생명공학연구원 바이오나노연구센터

융합연구, 융합기술이라는 용어가 널리 사용되기 시작한 것은 대략 2005년 무렵이다. 그로부터 16년이 지난 지금의 과학기술은 그 경계를 나누기 어려울 정도로 다양한 분야의 융복합이 이루어지며 급속도로 발전하고 있다. 바이오나노 융복합 기술은 융합연구라는 개념이 알려진 이후, 가장 성공적으로 발전해온 분야 중 하나일 것이다. 바이오나노 융합기술의 성공적 발전은 이 기술이 모든 인류의 바람인 건강한 삶의 영위를 가능케하는 질병 진단 및 치료와 직접적으로 연관되어 있기 때문이다.

10억분의 1(10-9)을 의미하는 나노라는 접두사는 이제는 영화나 드라마에서도 흔히 사용될 정도로 사람들에게 익숙한 단어이다. 2008년 개봉한 아이언맨1에선 토니 스타크의 아이언맨 변신을 위해 기계 로봇이 일일이 수트 부품을 입혀주지만, 10년후 개봉한 어벤져스 인피니티워에선 스타크가 가슴의 장치를 누르자 아이언맨 수트가 생성되고, 이를 보고 놀라는 헐크에게 스타크는 태연하게 이건 나노기술이라고 설명해준다. 현실에서도 1985년 풀러렌(Fullerene, 탄소원자 60개로 이루어진 구형 나노물질), 1991년 탄소나노튜브(Carbon Nanotube, 탄소로 구성된 원기둥 모양의 나노물질)와 같은 나노물질이 처음 합성된 후, 과학자들이 다양한 나노물질 혹은 나노구조체를 합성/제작하는데 노력하였고, 그 결과 현재 우리는 다양한 나노기술이 적용된 제품을 매일 손에 들고 다니며 살아가고 있다.

나노물질은 그 크기가 생명과학의 중요한 요소들(단백질, 유전자 등)과 비슷한 수준이므로, 자연스럽게 나노물질과 바이오물질의 융합이 시도되었고, 여기서부터 바이오나노 융복합연구가 시작되었다고 할 수 있다. 그 중에서도, 나노물질을 이용하면 단백질이나 유전자를 매우 민감하게 검출할 수 있고, 이로 인해 질병의 조기 진단이 가능할 것임을 기대하면서, 바이오나노센서에 관한 연구가 매우 활발하게 이루어졌다. 현재 바이오나노센서는 비단 의료 분야 뿐 만 아니라 환경, 시설유지, 에너지 관리, 공업 공정 등 다양한 산업 분야에 활용될 수 있어, 그 중요성이 매우 높다고 할 수 있다.

질병 진단 바이오나노센서는 일견 거창해 보일 수 있지만, 이미 우리 주변에서 쉽게 찾아볼 수 있다. 가장 흔한 바이오나노센서로는 독감, 혹은 임신 진단 등에 사용되는 스틱형 키트들을 들 수 있는데, 이 키트들은 독감 환자나 임산부의 체액을 스틱에 떨어뜨리면 1줄(음성) 또는 2줄(양성)이 나타나는 것에 따라 진단이 이루어지게 된다. 이러한 진단 키트에는 놀랍게도 금 나노입자들이 사용되고 있는데, 바로 키트 위에 빨간 줄을 형성하는 물질이 금 나노입자이다. 우리가 보통 생각하는 노란빛의 금과 달리, 매우 작게 만든 금 나노입자는 붉은색을 나타낸다. 이렇게 작은 금 나노입자에 특정 단백질을 검출하는 항체를 결합시키고 스틱형 키트에 적절히 조립함으로써 간편하게 독감이나 임신을 확인할 수 있는 바이오나노센서를 제작할 수 있다.

필자가 연구개발에 매진하고 있는 다양한 종류의 바이오나노센서들도 앞서 설명한 간편 진단 키트들과 원리적으로는 크게 다르지 않다. 다만, 스틱형 키트의 금 나노입자 대신(물론 금 나노입자도 여전히 많이 사용한다) 다양한 종류의 나노물질 혹은 나노구조체를 개발하여 사용하고, 특정 단백질 혹은 유전자를 인지하는 생체물질도 새롭게 개발하여, 이 두 가지 요소를 융합하는 연구개발을 진행한다. 이렇게 개발된 새로운 융복합 바이오나노소재는 기존 질병을 보다 정밀하고 선택적으로 진단할 수 있게 해줄 뿐 아니라, 기존에 진단이 어려웠던 질병들까지도 진단을 가능하게 할 수 있다. 이러한 첨단 바이오나노센서는 더 이상 실험실에서만 사용되는 것이 아니라, 실제 의료기관에서도 적극적으로 수용하고 있기 때문에 이제는 더 이상 먼 미래의 이야기가 아니다.

최근 필자는 바이오 분야에서 크게 주목받고 있는 유전자가위 기술(특정 유전자를 특이적으로 인지하여 잘라내는 기술로 2020년 노벨 화학상 수상 연구주제)과 정밀하게 합성한 나노입자를 융합하여 감염병의 정확한 진단이 가능한 기술을 개발하였다. 새롭게 개발된 바이오나노 융복합 기술을 이용해 1년 넘게 전 인류를 괴롭히고 있는 코로나 바이러스를 손쉽게 검출할 수 있었으며, 인플루엔자 바이러스도 동시에 검출이 가능하였다. 또한, 무분별한 약물 사용으로 인해 내성을 갖게 된 감염병 유해인자(바이러스, 박테리아)의 검출이 가능한 센서기술도 개발하였으며, 이는 현재와 같은 보건 취약 상황에서 면역력이 취약한 병원 내 환자의 2차 감염을 방지하는데 큰 도움이 될 것으로 기대한다.

이처럼, 새롭게 개발되는 바이오나노 융복합 기술은 우리의 무병장수 100세 인생의 가능성을 조금 더 높여주고 있으며, 지금도 아픔을 겪고 있는 많은 환자들에게 작은 희망을 제공해주고 있다. 미래 공상 과학 영화에선 환자를 스캔함과 동시에 정확한 질병을 진단하고, 바로 치료를 진행하여 환자에게 건강을 되돌려주곤 하는데, 필자는 바이오나노 융복합 연구개발을 통해 이러한 미래가 꿈이 아닌 현실이 되기를 기원한다.

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