바이오인

핵심내용

실크 단백질기반, 신개념 나노광학 바이오센서 구현  
인체 친화적·고성능 나노바이오센서 개발로 IT기반 헬스케어 시대 앞당겨

상세내용

 연 구 결 과  개 요

1. 연구 배경
  애플 워치나 구글 렌즈로부터 알 수 있듯이 근래 첨단 IT기업의 최대 화두는 헬스케어시장의 선점일 것이다. 생체 신호를 실시간으로 전송하고 이를 스마트폰 등의 휴대용 IT 기기로 분석함으로써 질병을 조기에 예방하고 환자 맞춤형 치료가 가능할 것이다. 만약 생체신호를 분석할 바이오센서를 인체 내에 집적하여 혈액 등 체액으로부터 신호를 얻어낼 수 있다면 그 응용가치는 무궁무진할 것이다. 이를 위해서는 우선 바이오센서 소자 자체가 생체친화적이고, 신호는 무선으로 전송되어야 하기 때문에 빛과 같은 전자기파를 이용하며, 그리고 감도가 매우 좋아야 한다. 본 연구자는 이 세 가지 점들을 동시에 만족하는 바이오센서를 구현하기 위해 기존 섬유로 잘 알려져 있는 실크 단백질을 활용 나노광학소자를 제작하여 바이오센서로써 그 가능성을 모색하였다.    

2. 연구내용
  전술한 나노광학기반 바이오센서의 구동원리는 검출물질이 유발하는 미세한 굴절률의 변화에 따른 광학신호의 변화를 검출하는 형식이다. 매우 적은 양의 바이오물질을 검출할 수 있으나 이를 위해서는 역시 광학신호의 매우 작은 변화를 감지해야하고 이는 즉 비싼 측정 장비가 필요함을 의미한다. 특히 굴절률 기반 바이오센서의 성능을 나타내는 figure of merit 값은 이론적으로 100이 한계로 알려져 있다. 이는 대략적으로 최고로 잘 만든 나노소자를 이용해도 0.01의 굴절률을 검출하기 위해 10 nm 수준의 파장 변화를 검출해야함을 의미한다. 이는 이상적인 상황이며 실제는 이보다 더 성능이 떨어진다. 우리 몸에 존재하는 체액 성분의 변화는 저보다 훨씬 적은 굴절률의 변화를 가져온다는 점에 비추어보면 효율이 떨어짐을 알 수 있다.  
  본 연구자는 발상의 전환을 통해 굴절률이 아닌 새로운 물리량을 컨트롤하였다. 그리고 이를 가능하게 한 것은 섬유로 알려진 누에 실크 단백질이다. 실크를 활용하여 두 마리 토끼를 잡을 수 있었다. 하나는 인체집적 가능한 생체친화적인 바이오센서의 구현이 가능하다. 다른 하나는 실크 단백질로 얇은 필름을 만들었을 때, 외부자극에 의해 부피가 팽창하며 이는 굴절률만으로 기대할 수 없는 광학신호의 큰 변화를 유발한다.
  실례로 물과 이소프로필알콜은 그 굴절률의 차이가 0.04에 불과하다. 만약 기존의 굴절률 기반 센서라면 이 둘을 구분하기 위해 빛의 수 nm 파장의 차이를 감지해내야 한다. 그러나 본 연구자가 구현한 센서는 100 nm 수준의 파장 차이를 보여준다. 어떤 센서가 물과 알콜 두 물질을 구분하기에 더 수월한 방식을 제공하는지는 자명하다. 또한 혈당 검출 면에 있어서도 기존의 비슷한 구조를 가지는 센서보다 5 ~ 6배 이상의 검출민감도를 가짐을 확인하였다.  
  정리하면 실크 단백질에 의해 생체친화성을 가진 바이오센서 구현과 실크의 고유한 물성이 기존에 보지 못한 높은 검출도를 가지는 새로운 센서의 구현을 가능하게 하였다. 실크 단백질은 농장에서 저렴하게 얻을 수 있기에 가격 경쟁력 측면에서도 큰 장점을 지닌다.        

3. 기대효과
  나노광학기반 바이오센서의 시장 확대를 위해서는 생체신호의 실시간 분석 및 환자맞춤형 치료라는 헬스케어시장의 흐름을 선도하여야 한다. 높은 민감도를 가지면서 생체친화성을 가진 나노광학기반 바이오센서는 중요한 역할을 담당할 것이다. 조금 더 과감하게 이야기하자면 역으로 농업에서 중요하게 여겨졌던 그러나 현재는 가격 경쟁력 측면에서 밀려 침체된 잠사 농업 산물인 실크가 IT 및 NT 기술 그리고 BT를 아우르는 고부가가치 산물로 새로이 자리매김하리라 기대한다.   

연 구 결 과 문 답

...................(계속)

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