바이오인

?

?출처: 동아사이언스

재미있는 과학이야기 (3)

???[막의 세계] 전자코도 가능

?

?바이오센서는 ??1962??년 미국의 클라크 박사에 의해 처음 시도됐다??. ??그는 혈액 속의 포도당을 관측하기 위해 분자를 식별하는 능력을 갖는 효소와 산소 전극을 결합하면 포도당의 농도를 알 수 있을 것이라고 생각했다??. ??

혈액내 포도당 농도의 측정은 당뇨병환자에게 대단히 중요한 것이었다??. ??효소는 기질이라 불리는 특정 분자와 반응하기 때문에 여러 분자가 섞여 있어도 방해받지 않고 선택적으로 반응할 수 있다??. ??이러한 분자 인식능력을 이용하면 복잡한 조성의 혼합물 속에서 특정 물질을 분리해내지 않고도 효소를 사용해 편리하게 분자를 식별해낼 수 있다??. ??

그러나 대부분의 효소는 수용성이므로 이를 센서의 구성성분으로 이용하기 위 해서는 물에 녹지 않는 형태로 제작해야 하므로 효소를 분자막형태로 만들어야 했다??.

1967??년 업디크와 히크는 포도당 산화효소를 막 속에 고정시키고??, ??이를 산소 전극과 결합시켜 포도당 센서를 만들었다??. ??그 후로 생체분자박막을 제작하는 기술은 바이오센서 개발에 필수적인 요소로 인식됐다??. ??초기 부터 현재까지의 포도당 측정용 바이오센서는 혈액을 채취하여 측정하는 형태였으나??, ??최근에는 센서를 고분 자박막으로 둘러쌓아 동물 내에 삽입해 포도당을 측정하는 센서가 개발되고 있다??.

??바이오센서는 특정 반응을 수행하는 생체분자막과 반응의 결과를 전달하는 신호변환기로 구성돼 있다??. ??바이오센서는 반응 결과를 전기적 신호로 변화시키는 신호변환기의 원리에 따라 크게 전기화학적??, ??광학적??, ??열 적??, ??그리고 압전 바이오센서로 구분된다??.

??광신호는 자기장과 전기장의 간섭을 받지 않으므로 극미량의 성분 측정이 가능하고 빛의 파장을 바꿔가며 여러가지 성분을 동시에 측정할 수 있어 최근 가장 많이 사용된다??. ??현재의 바이오센서의 기술은 면역반응 측정??, ??혈액내의 성분 측정??, ??생물반응기내의 각종 성분측정??, ??폐수내 의 오염물질 측정에 응용되고 있다??. ??

최근에는 인간의 후각 기능을 모방해 대기내의 오염물질을 측정하는 전 자코??(electrical nose)??센서와 같은 감각센서가 상용화되고 있다??. ??또한 맛을 측정하는 미각센서와 색채를 구별하는 광수용기능의 시각센서들의 개발이 진행되고 있다??. ??감각센서에서 측정은 생물분자막에 의해 수행돼 전기신호화 된다??. ??신호들은 뇌의 정보처리 기능을 모방한 인공신경망??(neural network) ??알고리즘에 의해 분 석된다??. ??

??스스로 복귀하는 능력 컴퓨터는 전기적 신호에 의해 상태를 구분하고 지정된 주소에 할당함으로써 정보를 저장한다??. ??전기적 신호 에 의한 상태 구분은 생명체 안에서도 존재한다??. ??생화학반응에 참여하는 생체분자들은 인접한 분자들과 산 화 ??- ??환원 상태가 다르다??. ??이것을 구동력으로 생체분자 사이에 전자를 전달하면서 미세한 전류를 일정한 방향으로 흘려 보낸다??. ??이를 고려해 생체 내에서 전자전달 반응에 관여하는 생체분자??(??대부분 단백질??)??를 일정한 방향으로 배열시킴으로써 기능성 생체분자막을 제작한다??. ??각각의 구성성분을 배열한 후??, ??전기나 빛으로 자극하면 상태 구분이 가능한 전기적 응답신호를 보낸다??. ??이것이 컴퓨터의 전자소자와 같은 역할을 수행하 는 생물전자소자인 바이오칩이다??. ?실리콘칩의 기본단위인 집적회로에 해당하는 것이 바이오칩을 구성하는 단백질이다??.

??세포내의 전자전달계 가 지닌 특성을 모방해 서로 다른 산화 ??- ??환원 전위를 지닌 단백질들을 실리콘칩 위에 배열하면??, ??산화 ??- ??환원 상태가 높은 생물분자에서 낮은 생물분자쪽으로 전자가 이동한다??. ??이러한 일방적 전자전달 특성은 기존 의 실리콘칩의 기본요소인 다이오드의 특성과 일치한다??. ??이것은 전자의 흐름에 따라 전기적 신호를 구분할 수 있는 스위칭 특성을 제공한다??. ??빛이나 전기 같은 외부 자극을 이용해 단백질 복합체의 산화 ??- ??환원 상태를 조절하고??, ??구분이 가능한 상태 ??(??현재의 메모리개념으로 설명하자면 ??on=1, off=0)??를 규정함으로써 정보를 저장하고 전달하는 바이오칩으로 사용할 수 있는 것이다??. ??

분자 수준에서 동작하는 바이오칩은 수십에서 수백 ??Å??(??옴스트롬??, 1??Å ??= 1??백억 분의 ??1m)??의 크기인 분자공간 에서 전자를 제어한다??. ??이처럼 초미소공간 내에서 전자의 움직임을 조절할 수 있게 된 것은 생물분자막 덕 택이다??. ??그러나 바이오칩을 구성하는 데에는 한계가 있다??. ??핵심 기술인 전자를 전달하는 단백질로 생체분자막를 구성하기 어려우며??, ??여러 개의 전자전달 단백질들이 결합돼 하나로 구성되는 단백질 복합체의 생산이 그리 만만하지 않기 때문이다??. ??

만약 생체의 유전방식을 바이오칩의 구성에 필요한 생체박막 형성에 도입한다면??, ??자체 생성과 증식은 물론 이고 결함이나 손상을 입었을 경우 스스로 복구하는 능력을 지닌 진정한 의미의 바이오칩이 탄생할 수 있다??. ??하지만 이러한 개념의 바이오칩이 만들어지려면 여러 부분의 과학기술이 통합돼야 한다??. ??유전자조작 기 술과 소자설계기술??, ??그리고 생체분자박막 제조와 분자 배열기술이 그것이다??.?