바이오인

출처 : biosafety

바이오텍과 나노텍이 결합된 차세대 핵심기술

유전자 재조합 기술로 만들어진 단백질을 복합막으로 조합하여 초고집적기억 기능이 가능한 생물전자소자가 세계 최초로 개발됐다.


이 소자는 생체내에서 전자전달에 직접 작용하는 색소단백질 cytochrom과 형광을 발하는 특징이 있는 녹색 형광단백질을 각각 전자수용체 및 전자여기체로 이용하여 생물체의 전자전달 현상을 모방한 생물분자로 구성되었다.


서강대 화학공학과 최정우 교수는 지난 1990년부터 관련분야의 선행연구 경험을 기반으로 한국과학재단으로부터 1995년과 1998년에 3년씩 2회 연속으로 특정기초연구과제로 지원을 받아 성과를 거뒀다.

이 연구성과로 인해 지금까지 실리콘 등 무기물로 만들어졌던 반도체 소자가 109 정도밖에 안되는 메모리 기능의 한계를 극복하고 테라비트급인 1012수준까지 획기적으로 끌어올렸다. 이와 관련된 연구결과로 국내외에 13편의 논문이 게재 또는 승인된 상태이며 국제 특허출원을준비중에 있다. 특히 올해 초에 네덜란드에서 발간되는 생물전자공학분야에 세계적 최정상 학술지인 'Biosensor & Bioelectronics'에 게재가 확정되었다.

최 교수는 이 업적을 바탕으로 두 개의 단백질을 유전공학적으로 합성하여 하나의 단백질로 된 새로운 융합 단백질을 이용한 생물전자소자개발을 일본, 영국 등과 공동으로 추진하고 있어 이 분야 연구를 주도하는 삼두체제의 한 축을 이룰 것으로 전망되며, 나아가 국내 나노테크놀로지 연구 수준을 한 차원 끌어올려 국제적 기술우위도 확보할 것으로 보인다.



▶ 연구배경

○ 현재 상업적으로 이용되고 있는 메모리반도체의 최고 집적밀도는 제곱 인치당 1 Gb이며 실험실 수준으로는 10 Gb까지 개발된 상태이지만, 100 Gb 이상의 집적은 고밀도에 의한 구성 요소의 발열 현상과 단열 물질의 두께 감소로 인한 주변 회로 사이의 전자 유출과 전자의 통계적 흔들림 등에 의하여 전자의 운동 방향이 무질서해지는 등, 물리적 한계로 인하여 기존의 기술로는 더 이상 집적 밀도를 높이는 것이 한계인 것으로 인식되고 있다.

○ 이러한 집적 기술의 한계를 극복하기 위한 대안으로 제시되고 있는 것이 분자 단위의 소자를 제작하고자 하는 분자전자기술이며, 분자전자기술로써 생물분자를 사용하는 생물전자소자 기술이 제창되었다. 생물전자소자 기술 중 바이오 메모리소자 기술은 생물분자를 이용하여 메모리를 구현하는 기술이다. 분자전자소자의 궁극적인 목표인 분자 한 개를 기억 매체로 하는 소자를 구현할 경우 최고 1테라비트까지 기억 밀도를 높일 수 있다. 따라서 생물전자소자 기술은 기가 바이트의 저장용량을 넘어 테라급 이상의 고집적 메모리 개발을 위한 필수적인 요소 기술로 제시되고 있다.

○ 유전자 재조합 기술은 생물공학 분야에서 유용 대사산물의 생산에 응용되어 왔다. 최근 유전자 재조합 기술에 의하여 전자전달 기능이 향상된 전자전달 단백질을 생산할 수 있으며, 서로 다른 두 종류의 단백질이 결합된 새로운 형태의 융합단백질도 생산할 수 있다.

○ 생물전자소자 기술은 현재 세계적으로 연구가 진행 중인 상태이며, 우리나라에서는 아직 기술개발 단계가 미진한 단계이다. 따라서 전자소자 분야에서 차세대 원천 기술의 확보를 위하여 생물전자소자 기술의 연구가 필요하다.

○ 생물전자소자 기술은 전자산업의 국제 경쟁력을 강화시키고, 연계 분야간 상승효과를 제공하며 고부가가치 산업 창출을 통해 국제사회에서 기술선진국으로 발돋움할 수 있는 기반을 마련할 수 있다.



▶ 연구내용


○ 본 연구에서는 생물체의 전자전달 현상을 모방한 생물분자로 구성된 생물전자 소자를 개발하기 위해서 전자전달능력이 우수한 생물분자를 이용하여 생물전자소자를 제작하였다. 생체내 전자전달 현상에 직접적으로 작용하는 cytochrome 단백질과 높은 형광 양자수율을 갖는 녹색형광단백질(GFP)을 이용하였으며, cytochrome 단백질은 전자수용체로 GFP는 빛에 의한 전자여기체로 사용하였다. cytochrome과 유전자 재조합 기술로 생산된 GFP를 이용하여 단백질의 복합박막화를 수행하였다. 생물분자를 이용한 박막 형성기법으로는 Langmuir-Blodgett(LB)기법과 자기조립기법(SA)을 이용하였다.제작된 생물분자 박막위에 금속전극을 증착하여 생물분자 광다이오드를 제작하였다 (그림1).

그림.1 생물분자 광다이오드의 구조

○ 생물분자 광다이오드소자는 광조사에 의해 여기체에서 전자수용체로 전자의 흐름이 생기며, 이로인해 전류가 발생되는 광전특성과 정류특성을 갖고있다. 본 연구에서는 생물분자 광다이오드소자의 생물분자박막을 응용하여 분자단위의 메모리 기능을 구현하였다. 외부에서 광조사에 의해 발생된 전자와 주사 터널링현미경(STM)에 의해 주입된 전자는 생물박막에 저장되어지며 (메모리의 쓰기 기능) 저장된 전자에 의한 전하변화는 정전기힘 현미경(EFM)에 의해 분석되어 진다(메모리의 읽기 기능). 제시되는 소자는 생물분자 단위로 정보의 저장과 읽기가 가능하여 광메모리 소자로 사용될 수 있으며 이를 이용하면 분자단위의 메모리 기능에 의한 테라비트급 메모리가 가능하다.


▶ 기대효과

○ 기존의 실리콘칩에 근거한 전자소자의 현 시장 수요와 앞으로의 전망을 고려할 때, 고집적도의 분자전자소자의 시장점유율은 21세기에 급성장할 것으로 전망되어 진다. 기능성 생물분자 생산은 정밀화학산업 및 반도체산업의 새로운 시장을 개척할 것으로 전망되고 있다. 또한 생물분자전자소자를 구현하기 위해 선행 연구되는 유전공학 기법에 의한 생물소재 개발, 나노기술에 의한 초미세 패턴 제작을 위한 공정 기술은 생물, 화학, 물리 및 전자 산업을 연계시킨 새로운 첨단 분야를 개척하는 것은 물론 차세대 기술에서 선진국과의 기술격차를 줄일 수 있는 계기가 되리라 생각된다.

○ 본 연구에서 제시되는 생물전자소자 기술은 국내 분자소자 및 나노테크놀로지 관련 연구의 질적 양적 수준을 향상시킬 수 있는 토대를 마련할 것이며, 새로운 학문 분야를 개척하여 국제적으로 새로운 기술의 우월적 지위를 확보할 수 있을 것이다.

○ 미국, 일본, 유럽등 선진국의 과학자들은 본 연구에서 제시되는 생물전자소자 기술이 2020년경에 완성될 것으로 전망하고 있으며, 본 기술이 완성되면 기존의 실리콘칩을 이용한 전자소자시장의 일부를 대체할 것으로 전망하고 있다.
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