총 설
바이오소자 기술
최정우†·이범환
서강대학교화공생명공학과, 바이오융합기술학과
121-742 서울시마포구신수동 1 (2005년 11월 24일접수, 2006년 1월 3일채택)
Biodevice Technology Jeong-Woo Choi
†and Bum-Hwan Lee
Department of Chemical and Biomolecular Engineering, Interdisciplinary Program of Integrated Biotechnology, Sogang University, 1, Shinsu-dong, Mapo-gu, Seoul 121-742, Korea
(Received 24 November 2005; accepted 3 January 2006)
요 약
생물체를구성하는세포의기능과구성요소간상호작용메커니즘을인공적으로모방하여바이오물질박막으로구 성된바이오소자는의료진단, 신약스크리닝, 전자소자, 생물공정, 환경오염물질측정등다양한산업분야에응용되
고있다. 단백질, DNA, 바이오색소, 세포등의생체물질을칩상에고집적으로배열하여구성된바이오소자로서바
이오전자소자(생물분자광다이오드, 바이오정보저장소자, 바이오전기발광소자), DNA칩, 단백질칩, 및세포칩등이 개발되어오고있다. 생체물질고정화기술, 마이크로및나노수준의패터닝기술, 소자구성기술, 바이오멤스기술의 융합을통해바이오소자는구현되며, 최근에는나노기술의적용에의하여나노바이오소자도구현이가능하다. 본논문 에서는현재까지개발된다양한바이오소자의제작기술과응용에대하여소개하고향후의발전방향에대하여다룬다.
Abstract −Biodevices composed of biomolecular layer by mimicking the natural functions of cells and the interac- tion mechanisms of the constituted biomolecules have been developed in various industrial fields such as medical diag- nosis, drug screening, electronic device, bioprocess, and environmental pollution detection. To construct biodevices such as bioelectronic devices (biomolecular diode, bio-information storage device and bioelectroluminescence device), pro- tein chip, DNA chip, and cell chip, biomolecules including DNA, protein, and cells have been used. Fusion technology consisting of immobilization technology of biomolecules, micro/nano-scale patterning, detection technology, and MEMs technology has been used to construct the biodevices. Recently, nanotechnology has been applied to construct nano- biodevices. In this paper, the current technology status of biodevice including its fabrication technology and applica- tions is described and the future development direction is proposed.
Key words: Biodevice, Bioelectronic Device, Protein Chip, DNA Chip, Cell Chip, Nanobiotechnology
1. 서 론
바이오소자는분자전자소자와같은차세대반도체기술연구, 신 약개발프로세스및임상진단등의분야에혁신적인변화를일으 킬것으로주목받고있으며, 최근의료보건산업을중심으로빠르 게보급되고있다. 특히임상진단분야에서는암및에이즈등에관 련된유전자돌연변이를검출하여진단할수있는바이오칩과같 은진단용바이오소자들이개발되고있으며, 농업, 식품, 환경모니 터링과같은분야에도이기술이파급될것으로전망된다. 최근대 두되는나노기술이융합된나노바이오소자는무기물나노패턴기술 과생체분자의자기조립및배향성조절을통해극미세가공이가
능한기술로서신약개발에소요되는시료의양을획기적으로줄일 수있고, 단일세포내임의의생체분자를감지하는단일분자검출 을가능하게한다. 또한, 위와같은가공기술을전자소자에응용할 경우, 수십 Å~수십 nm 크기단위인생물분자를통해소자의집적 도를비약적으로향상시킬수있을뿐만아니라, 정보의병렬처리 를가능하게할수있으며, 생체분자가가지는낮은구동에너지특 성을이용하여높은정보전달속도를구현할수있다.
생체물질을이용한바이오소자의실현을위해서는첫째, 생물분 자간의정보전달및처리메커니즘, 생체분자의에너지전환과전 자전달시스템, 생체막분자의반응기구및상호관계등을밝혀생 체물질의작용원리를규명할필요가있으며, 둘째, 집적회로형성 에생체물질을이용하기위한패턴기술및미세구조제작기술의개 발이요구되며, 세포막과같은생체막형성에필요한단분자막형
†To whom correspondence should be addressed.
E-mail: [email protected]
성기술이필요하다. 셋째로바이오전자소자를구현하기위해서는 생물분자의분자스위칭메커니즘및작동개념등의확립과이의 인공적인구성을위한소자의설계와제작이필요하다. 마지막으로 이러한칩을시스템화하고통합-제어하는기술이필요하다.
세포를구성단위로하는생명체의기능성을전자재료또는소자 의관점에서보았을때, 자기조립과분자인식을통한나노수준에서 의구조체형성과에너지대사의기초가되는전자전달, 광에너지 전환및이온수송원리는새로운기능소자의개발에응용될수있
다. 전자전달및이의측정의원리를이용하여 DNA, 단백질, 세포
의특이결합을검출할수있는바이오소자를제작할수있으며, 또 한생명체내에서의전자전달, 광에너지전달및전환, 이온수송을 인공적으로구현함으로써바이오전자소자를제작할수있다. 또한,
생체의신호전달및전환기능을모방하여인공시스템으로구현하 는생물분자정보저장(biomolecular information storage) 소자를개 발할수있다.
종래의바이오센서가한가지물질을한번에정확하게검출하는 것을목표로하는하나의센서였다면 1990년이후에등장한 DNA
칩은반도체가공기술을이용하여평면상에올리고 DNA의어레이 를만듦으로서 ‘센서’를고집적으로 ‘소자’화하여, 고효율을목표로 하는 ‘칩’의개념으로발전시키게되었다[1-3]. 1990년시작된인간
게놈의염기배열해석이 2002년도에종료되어약 3만개의유전자
가있음이밝혀지면서 DNA칩은유전자정보를활용한신약개발, 유 전자정보를활용한질병의진단, 혹은치료가가능할것으로기대 되고있다.
DNA가단백질의설계도이며생명정보의전달역할을수행하는 생체물질이라면생명활동의주인공은이로부터생성되는단백질이 라할수있다. 단백질은생명의최소단위인세포를구성하며생명 활동을유지하는데있어서필수적인존재이기때문에생명현상을 이해하는데있어서 DNA의발현을조사하는것뿐만아니라단백질 을분리, 동정하는일이무엇보다도중요하다. 단백질의분리, 동정 에는다량의시료와장시간의프로세스가필요한 2차원전기영동 이주로사용되어왔으나 DNA칩과같이평면상에단백질의어레 이를만듦으로써고집적, 고효율의단백질칩의연구가 1990년대후 반부터많이연구되어왔다[4-7].
2000년대에들어서는 DNA칩, 단백질칩과더불어세포를기반으
로한세포칩의연구도활발히진행되고있다[8, 9]. DNA나단백
질은단독으로기능하는것이아니라세포내에서서로밀접하게연 계하여생명활동을유지하고있다. 따라서이러한생체물질의이해 나기능해석에는세포내에서의종합적인해석을필요로하고세포 내에서의생리활성및유용물질의세포내에서의작용기작등의연 구를보다고효율로수행하기위한세포칩에대한수요가늘어나 게되었다.
바이오전자소자의연구동향을보면일본에서는 1986년부터일 본통산성에서 10년장기프로젝트로서바이오전자소자를선택하 여 1백억엔을투자하고, 여기에서나온결과를연계하여신에너지 산업기술종합개발기구(NEDO)에의하여바이오전자소자의연구개 발로서바이오아키텍쳐의해명과그공학적모방등의바이오전 자소자원천기술을주제로연구개발이수행되고있다. 일본은 2010
년경에나노생물전자소자가완성될것으로예측하고, 첨단기술로서 집중투자하고있다. 국내에서는대학및연구소에서 90년대중반부 터생체물질과유기물을이용하여소자를제작하고자하는시도가
진행되어, 현재까지바이오전자소자의구성을위한기본개념의제 시, 생체분자의전자전달기본원리및생체분자막의특성등에대 한연구가진행되고있으며, 현단계에서는전자소자개념의실증
단계를넘어서 Prototype 바이오전자소자를제작하기위한연구가
진행되고있다.
이렇게생물체를구성하는세포의기능과구성요소간상호작용 의이해를바탕으로, 이를모방하여진단, 신약스크리닝, 고밀도 정보처리, 환경오염검출등에이용하고자하는바이오소자(bio-
device) 기술은하나의 ‘센서’에실리콘기반반도체집적기술을
도입하여고집적 ‘칩’의개념으로발전해왔으며나노기술(NT), 바
이오기술(BT)과정보통신기술(IT)의융합을통해구현할수있는 기술로서현재미국을위시한기술선진국에서는위와같은융합기 술을차세대산업의성장동력으로인식하고기술개발을위해막 대한투자와연구개발에대한지원을아끼지않고있으며, 앞으로 국가산업경쟁력의척도를가늠하는중요한잣대가될것으로전 망하고있다.
본논문에서는현재까지개발된다양한바이오소자의제작기술 과응용에대하여소개하고향후의발전방향에대하여다루고자 한다.
2. 바이오전자소자 2-1. 광합성에기초한바이오분자 다이오드
생물분자를이용한바이오분자전자소자에대한연구는 1972년
Carter에의해제시된분자전자소자와 1981년에개최된 IEEE(institute of electrical and electronics engineers)의 LSI 기술에관한심포지
엄에서 MacLear에의해 moleton으로명명된바이오소자의제안으
로부터시작되었다할수있다. MacLear는생체물질을이용한집 적회로형성과논리디바이스의구성개념을제안하였다. 그러나제 안된바이오소자는개념뿐이었고, 실용화를위해서는생물공학과 전자공학의융합연구가필요한실정이었다. 이러한기술융합개념 은 90년대후반부터급속히발전한나노기술이재조명됨에따라생 체분자를나노수준에서배열하고이를구동하여특성을관찰하는 연구를가능하게하였으며, 오늘날에는생명과학, 화학, 물리학, 화 학공학, 전자공학, 컴퓨터공학등다양한분야의전문가들이이러 한주제에상호협력하여나노바이오기술의영역을여는데성공하 였다.
분자들사이혹은분자의한쪽에서다른방향으로의전자전이 는생물학적시스템에서가장보편적으로존재하는원리중하나
이다[10]. 유기분자시스템에서이메커니즘을제어하고이해하는
것은분자전자소자와바이오전자소자의구현을위해필요하나, 현 재까지나노수준에서의구조및상호작용의해명과관련된문제들
때문에다소더디게진행되고있다[11].
자연계에서일어나는광전자전환및광합성유기체의광범위한 전자전이현상과같이, 빛으로부터유발된전자의전이과정은매우 효과적이며단일방향으로이루어진다는것이알려졌다[10, 12]. 이 와같은생물학적시스템을모델로신기능전자소자의구동개념이 제시될수있으며, 광합성계를구성하는생체분자배열의모방을통 해생체전자소자가인공적으로구현될수있다. 광합성초기단계에 서는생체분자의광전자전이과정이발생하고순차적으로다단계의 전자전달이일어난다[13]. 이와같은과정은분자수준에서적절히배
열되어있는수용체, 전자전달체및전자공여체들의산화-환원 준위의차이에의해단일방향으로매우효과적으로발생될수 있다[14].
생물학적시스템내에서광합성반응의중심부에상응하는구조 를인위적으로구현하기위해분자박막이사용될수있는데, 최근 에나노단위생체분자막제조와고체표면에단분자및다분자층
의형성에상당한관심이집중되고있다[15, 16].
이러한나노단위박막제조기술에근거하여, 생물학적광합성의 전자전달기능을모방할수있는소자가개발되어왔는데, 일본 Isoda
연구팀은플라빈-포비린혼성 랑뮤어-블로젯(langmuir-blodgett, LB)박막으로구성된생체분자광다이오드를제작하고그것의광학 적, 전기적성질에대해연구하였다[17]. 그들은감광체(S)와전자 수용체(A)로각각플라빈과포비린을사용하였다. Fujihira 연구팀 은세가지기능성생체분자로구성되고전해용액상에서전극에 정렬된 3원소의 LB 막을구성하는전기화학에근거한포토다이오 드에관해연구하였다[18]. 페로센(ferrocene), 피린(pyrene) 그리고 바이올로겐(viologen)이각각전자공여체(D)와전자전달체(S)와전 자수용체(A)로사용되었으며, 전자가유도된포토다이오드로개발 되었다. 본연구팀은 D, S와 A 혼성형태의 LB 막으로구성된금
속/절연체/금속(MIM)의구조를제작하고, 빛으로부터유발된전자
전이를연구하였다[18]. 최근전자 D/S/계전기장치로이루어진생
체분자포토다이오드가연구되었다[19]. 생체분자포토다이오드의 개발은그것의포토스위칭특성을조절하여분자기억장치에적용 할수있기때문에분자전자공학영역에서중요하다. Fig. 1은 MIM
장치의도식적인구조와생체분자포토다이오드의포토스위칭특 성을보여주고있다.
D, S, R, A가각각페로센, 피린, 바이올로젠과 TCNQ인 LB 막 으로이루어진생체분자포토다이오드는자연계의빛으로부터유 발된전자전달원리에기초하여설계되었다[20]. 2개의수용분자(R, A)를사용함으로써전하상태(A−/R/S/D+)를분리하기위한시간은
A−/S+의혼성시스템보다오래지속할수있다. R과 A로부터안정 상태의 S까지의전하재결합은 R의존재하에서의 S와 A 사이의증 가되는거리와 S+부터 R을거쳐 A까지빠르게전자가이동되기때 문에재조정될수있다. 이효과에근거하여 D/S/R/A 혼성 LB 막 으로구성된분자포토다이오드는 S/A 및 D/S/A 혼성 LB 막보다 다이오드와스위칭특성이더우수하다. D 분자를추가함으로써여 기상태 S 분자의역방향전자전달현상이개선될수있으며, R 분 자를추가함으로써 A로부터바닥상태 S로의전자재결합이감소할 수있다. 또한, 본연구팀은녹색형광단백질(GFP)과시토크롬 c
의 이중막을이용한생체분자포토다이오드와주사탐침현미경
(SPM)을이용하여나노수준의다이오드를연구해왔으며[21,22] 최
근에는동경대학의나가무네교수연구실과의공동연구를통해단
백질재조합기술을이용하여녹색형광단백질과시토크롬 b562
의키메라단백질을제조하여분자내에서의광전류발생과정류특 성을확인하였다[23].
외국연구진들에서유동하는전류-전압측정(I-V)에근거하여주 사터널링분광분석법(STS)을측정하고유기자기조립층의단분자 전도율을측정하는연구가보고되었으며 [24] I-V 측정에기초한
STS를이용하여시토크롬씨 LB 막의분자전도율에관한연구가수 행되고있다[25].
본연구진은최근 Chlorophyll α와 Ferredoxin heterolayer로구 성된생체분자다이오드의기능을 I-V 특성에기반을둔주사터널 링분광분석법으로검증하였다. Fig. 2는 I-V 특성에기반을둔주 사터널링분광분석법측정의실험개략도와바이오분자다이오드 의정류특성을보여주고있다.
2-2.바이오메모리
최근나노기술의발달과함께유기분자에정보를저장하는분 자전자소자에대한다양한개념이제시되고분자수준에서작동되
는소자들이개발되고있다. 1989년에는 Hopfield 연구팀에의하여
shift resister memory의개념이제안되었고, 본연구진에의해생체 분자 hetero LB 층을사용한 shift resister memory가제안되었다
[26, 27]. 1991년에는 Saito 연구팀에의하여 fractal memory 기능 이연구되었으며[28-32], Lindsey 연구팀에서는정보스토리지이 용을개별분자수준에서접근하였다[33, 34]. 분자정보저장체의가 장기본적인원리는금속표면에고정화된산화-환원분자의산화 상태에전자를저장하는것이다. 이렇게제시된분자정보스토리 지는분자의성질과차원그리고전자의보유시간을향상시킬수 있고, 다차원의정보저장체를만들수있으며, 운전전력을낮출 수있다는장점이있다. 분자정보저장체는테라비트급의메모
리를가능하게하였다. Roth 등은전해질속의 100µm 크기의마
이크로전극을이용하여유기단분자막의전자저장체에대해서조
Fig. 1. Schematic structure of MIM device and Photoswitching prop- erty of biomolecular device.
사하였다[32-37]. 산화-환원활성이있는생체분자는다양한전위에 서그상태를변화시킬수있다. 전위차를이용하여생체분자로하 여금전자를얻거나잃게하면전기적활성을가진단분자층의생 성이가능해진다[38].
최근본연구진에의해산화성전위를기록기능으로접목시키 고, 저장된전하를측정함으로써해독기능을가진생체분자정보 저장장치에대한연구를수행하였다. 생체분자정보저장의기록기 능은대시간전류법(chronomamperometry, CA)를측정하여전자를 생체분자층에적용시키는방법을이용하여연구되었다. 생체분자
층의전하유지특성은열린회로전위전류측정법(OCPA)에의해
확인되었다. 기록(CA)-해독(OPCA) 기능에기반을둔생물정보저 장소자의메커니즘은 Fig. 3을통해확인할수있다.
생체분자정보저장실험은다음과같이수행된다. 생체분자층 은환원전위를적용하여전자가공급되는상황에서단백질은환 원된다. 환원전위인가후일정시간이경과하게되면, 고정된단백 질은환원상태에서중성상태로되돌아가면서전자를방출하게되 고, 단백질의산화상태전류가발생하게된다. 이때발생하는산화 전류값을측정하여정보저장소자의읽기기능을수행하게된다.
관찰된전자의흐름은작업전극이탈착될때잔존하는가해진전 자의수에비례한다. 전하유지특성은환원되는생체분자가중성 상태로돌아가기위하여걸리는시간의변화에의해결정된다. 본 연구에의해규명된생체분자저장에서환원상태의전하유지시 간은약 100초였으며, 최소한매 90초마다환원전위를적용하여
야정보의손실을막을수있었다. 이와같은실험을통하여바이 오전자소자가메모리로쓰일수있는가능성을제시하였다.
2-3. 단백질전기발광소자
유기분자로구성된전기발광소자(LED)는무기물반도체대신,
탄소를기초로하는분자에의한빛을발생하는다이오드(NED)이
며, 이것은전반적으로무기반도체와는다른특성을보이고있다.
근래의연구결과에의하면유기 EL 소자는일반액상 LCD에비 해더밝고, 얇고, 빠르다. 또한, 그것은현저히적은소비전력만을 필요로하고모든각도에서밝게보이며, 무기 LCD를생산하는것 보다적은비용이든다. 이와같은측면에서볼때, 생체분자를이 용한 EL 소자는유기 EL 소자보다전압을조정하는관점과효율 면에서더많은이점을지니고있다. 그러므로바이오 EL 소자는 무기및유기 EL을대신하여차세대디스플레이에적용될수있을 것을생각한다.
Tajama 등은시토크롬 c를이용한생체분자전기발광(EL) 소자
를처음으로발표하였다[39]. 그러나제안되었던 EL 소자는상대적 으로낮은강도와스펙트럼상에서적색근처의빛을방사했다. 게 다가시토크롬 c를이용한 EL 소자는대기중에서물리화학적으로 안정적이지못해서상업적으로적용할수없었다.
최근본연구진에의해바이오안료물질을이용하여발광층으 로복합막을구성하고이에기초하여제조된 EL 소자를연구하였 다. 청색을내는생체분자혼합층의 EL 소자에관한연구는지속 적으로이루어지고있다. Fig. 4는생체분자층으로이루어진바이
Fig. 2. Experimental set-up for I-V measurement of biodevice (a) and Rectifying property of biomolecular diode (b).
Fig. 3. Fundamental concept of biomolecular information storage.
Fig. 4. Schematic structure of bio-EL device.
오 EL 소자의개략적인구조를보여준다. 본연구진에의한연구 결과에서바이오 EL 소자의외부양자효율은동일하거나유기 EL
소자보다조금더우수한것으로측정되고있다. 바이오 EL 소자 의성능향상을위해서는바이오재료의선정및박막제작시의방 향성조절등의추가적인연구들이필요로되고있다.
3. DNA칩
포스트게놈시대가시작되며기능유전체학에대한관심은급 격하게높아지기시작했다. 기능유전체학의목적은유전자의기본 서열을밝히는것뿐만아니라, 각각의유전자가지닌기능에대한 정보를얻는것이다. 따라서기능유전제학의가장근원적인목표 는기능성단백질과세포그리고여타의소기관들이어떻게제조 되는가를이해하는것이다. 생체분자고유의사이즈에따라서분
리된개별적인분자들의이동의정도를이용한기존의 southern blot
의경우, 정밀하기는하나시간이너무오래걸리고검출할수있
는종류에한계가있다는단점이있다. 따라서 DNA 분석을위한
새로운도구의개발이필요하게끔되었던것이다. DNA 칩은기능 유전체학에적용될수있는강력하면서도다재다능한도구로활용
될수있다. 이의기본적인원리는 DNA 간상호작용을이용하여
특정한서열을인식해내는것이다. 이는 sequencing, re-sequencing,
계통의확인, 유전자 mapping 그리고유전자발현을모니터링하
는목적으로사용되는것이가능하다[40]. 만약탐침의서열이목
적하는서열과상보적인관계가놓여있다면, 이와염기쌍을이루는 단일가닥의 DNA probe는이중가닥을형성할수있다. DNA 칩은 한조각의유리나그외의기질의표면에놓여진반응물(oligonucleotide,
cDNA)의배열을가진다[41]. 고정화된 DNA의수는대개기백에
서일만이상에이른다. 배열속의개별적반응물과배열에적용된 샘플속의특정한분자들사이의혼성화가일어나고, 그로인해나 타나는특정한결합은샘플의구성에대한정보를제공하게된다
(Fig. 5). 일반적으로 DNA 칩에서표적염기서열과탐침 DNA의
혼성화를확인하기위하여형광물질이표지되며, 이를탐지하기위 하여형광스캐너를사용하게된다.
DNA 칩은그제작방법에따라크게 2종류로분류할수있다.
첫째로는 oligo DNA를기판상에서합성하는광리소그래피방법이
며, 둘째는합성한 oligo DNA나 PCR 산물을담체상에고정하는
방법이다.
미국의 Affymetrix 사는위에서설명한광리소그래피를이용하
여 DNA의고집적어레이를제조하는데성공하여 DNA 칩을최초 로상업화하였다[3]. 일반적으로광리소그래피를사용하는방법은 신속한합성, 소형화의가능, 품질면에서의높은신뢰성을장점으
로가장많이보급된방법이다.
이러한 DNA 칩은몇가지문제점을안고있는데, 첫째는검
출농도에 한계가있다는것이고, 둘째는표적 DNA와의결합을 분석하는 문제에관한것이다. 현재이러한맹점을극복하기위 해 나노기술이 적용되기시작하였으며, 나노스케일의배열은표 적 DNA의아주적은양도탐지해낼 수가있으며, 측정오차를 줄일 수 있을 것으로 전망된다. 극도로민감한 나노 사이즈의
DNA 칩은나노사이즈의실리콘와이어를이용하여만들어진다
[42]. 현존하는표지자(label)를필요로하는광학적기법과는달
리, 나노와이어또는나노튜브는비표지 측정방식의 DNA 칩 을 구성하기위해응용되고있으며, 실시간전기적인측정을가 능하게할것으로전망된다. 앞으로다중전극형 DNA칩을구성 할 경우, 여러가지종류의표적 DNA의고감도측정이 가능할 것으로전망된다.
본연구진은이와같은나노 DNA 칩구성을위해주사터널링
현미경(STM)을이용한나노패턴기술을개발한바있다. DNA는
항상음전하를가지고있기때문에반대의전하로대전된 STM팁 에의해 DNA의나노어레이를비교적손쉽게구현할수있다. Fig. 6에 제시된기술을이용하여나노크기의 DNA 어레이가약 400 nm 크 기로형성되었음을 AFM에의해확인된결과를보여주고있다. 나
노사이즈 DNA 배열의민감도를향상시키기위해서는금나노입
자가전기적신호를형성, 증폭시키는데이용되기도한다. 금기질
에 DNA 또는단백질의고정화를위해단백질의아민과화학결합
을일으키는링커가주로이용되며, 이러한테크닉은단백질칩의 제작에도적용할수있다.
Fig. 5. Fluorescence image of hybridized DNA array. Fig. 6. AFM topography of 2×2 DNA array fabricated by STM tip using reverse bias.
4. 단백질 칩
임상진단, 신약스크리닝, 환경모니터링등의문제를고속으로 해결하기위한필요성에따라 2차원전기영동, 질량분석법(mass spectroscopy), 모세관분석법(capillary electrophoresis), ELISA(enzyme- linked immunosorbent assay)와같은전통적인기술을대체할수있 는새로운고속탐색도구가도입되고있다[43]. 단백질칩은비록
DNA 칩과유사하기는하지만, 상업적제품의관점에서보면커다 란도전에직면하고있다. 단백질의기능연구를위한분석기법은 고정화된단백질의활성과배향성의유지, 단백질어레이크기의 소형화, 고감도의탐지기술을위한생물학적표면의제조를필요 로한다. 단백질의고정화를위하여설계된이러한표면의종류는 크게두가지로나누어진다. 그중의하나는단백질의약한접촉을 통한물리적인흡착이고, 다른하나는분자의방향성과밀도의조 절그리고활성의조절을위하여선호되는방법으로, 표면과단백 질사이의공유결합을이용하는것이다[44]. 자기조립단분자막을 이용한화학적공유결합을이용한고정화, sterptavidin이코팅된표 면에올려진 biotinlyated 단백질, Ni2+킬레이트된표면위에올려 진 His-tagged 단백질등이있다[45-47].
단백질칩을만들기위해서는이러한표면에단백질을패터닝하 는기술도필요하게되는데 DNA와는달리단백질은열과건조등 의조건에매우민감하기때문에기판위에펩타이드를합성하면 서패터닝하는기술보다는완성된단백질을기판위에패터닝하는 방법으로 제작하게 되며 micro-contact printing[48-50], ink-jet printing[51,52], electrospray[53] 등의방법이이용되고있다.
현재까지단백질칩의생산기술은기존의 DNA 칩제조공정에 많은영향을받아왔다. 그러나단백질칩에있어서핵심적인열쇠는 탐지기술이다. 왜냐하면, 단백질칩에서는시료의증폭을위한
PCR(polymerase chain reaction)과같은기술이없기때문이다. 현 재, 단백질칩속의목표단백질은형광또는발광을유발하는표식 물질에의해서정량되고있다. Lee 등은 Electrospray로제작한항 체어레이를가지고형광또는발광등의검출방법으로항원이정
량적으로검출가능함을보여주고있다[53]. 그러나형광표지된단
백질은분석의정량적인정확도를떨어뜨리기도하는데, 이는위와 같은표지방법이분자와분자간의결합을변형시킬수있기때문 이다[54].
이러한이유로표면플라즈마공명(surface plasmon resonance, SPR), 질량분석(mass spectroscopy), 이미지엘립소미트리(imaging
ellipsometry)와같은비표지분석기법들이미세단위의단백질칩
에서검출기능으로제시되고있다[55, 56]. SPR에기반한단백질 칩은 Biacore(Sweden)사에의하여 single-spot 형태로수행되고, 최 근에표적물질(항원)측정에대한연구결과도발표된바있다. Fig. 7
은단백질칩을구성하기위해항체를고정하기위해 protein G를
이용하여항체를고정하는고정화모식도와 AFM을이용하여관찰 된표면이미지이다.
성공사례가그리많지않음에도, 그것이지닌매력적인장점때 문에단백질칩시장은여전히성장중이다. 사이퍼젠바이오시스 템즈(Ciphergen Biosystems), 지오믹스(Zyomics), 미국의퍼킨엘머
(Perkin Elmer)는단백질칩기술을선도하고있는회사들이다. 최
근의나노테크놀로지는현재단백질칩의기술적장벽을극복하 기위한열쇠로기대되고있는데, 많은경제보고서에서는단백질
칩시장의확연한성장에큰기대를품고있으며, 현재까지다수의 벤처기업들이단백질칩기술의상용화를위한연구를계속진행
해오고있는추세이다[57].
5. 세포 칩
지난수년간살아있는세포에대한생화학적실험과분석에서의 최대관심사는약물과외부의자극이세포의대사작용에미치는 영향이었다. 현재까지위와같은분석을위해서세포를구성하는 개별요소들은 DNA 칩, 또는, 단백질칩을이용하여정량하고이들 의상관관계를정립하는방법이주로이용되고있으나, 이러한방 법은세포를인위적으로사멸시켜대사작용의변화가일어난후 에구성요소를분석하는기법으로서살아있는세포의실제거동을 표현하는데한계를드러내고있다. 세포칩은살아있는세포와실 제상호작용하는물질을찾거나신약개발과정중임상전단계의 스크리닝과정을획기적으로줄일수있는도구로서그이용범위 가대단히광범위하다. Fig. 8에탐지기술이결합한세포칩개략도 를나타내고있다.
위와같은세포칩기술의풍부한수요를바탕으로세포생리활 성의보존이가능한나노수준의고정화기법, 대사활동변화를실 시간대에서검출할수있는전기(화학)적고감도센서기술과, 이를 통합적으로수행할수있는미세유체제어기술, 그리고세포질내부 를비파괴적으로관찰하며이를동정(identification)할수있는나 노수준검출기술은현재바이오칩에서핫이슈가되고있고고감도 의표준화된세포칩에관한연구가활발히이루어지고있다.
일반적으로세포칩은두가지종류로분류된다. 한가지는살아 있는세포를분석하기위한미세유체기구이다. 예로서기본적인 흐름경로에미세주입기의배열이통합된미세유체기구가구성된 사례가발표된바가있는데, 이는배양된세포에적절한약물을노
출시킬수있는기구이다[58-60]. 또다른미세유체기구는전기적
인측정방법을이용한다. 유독물질에노출된세포막의전기적저
Fig. 7. Schematic illustration of antibody immobilization on protein G layer (a) and AFM tophographies of the fabricated protein films ((b) left : protein G layer, (b) right : antibody layer).
항을측정하여세포의생존도를전기적으로탐지하는것이다[61].
기질에살아있는세포를직접고정화시키는기법을통해서제작 되는미세배열세포칩은세포칩의또다른유형으로서다량의시 료를동시에모니터링하는것이가능하기때문에, 전통적인스크리 닝방법에비하여효율적이다. 초고속스크리닝을위한세포의미 세배열중하나는 Kapur 등에의하여제시되었다[62]. Ziauddin과
Sabatini는유전자산물에대한세포의거동을확인하기위한세포
기반의미세배열을개발하였다[63]. 이러한세포의미세배열기술 은유전자의발현레벨은물론이고, cDNA에의하여정의된유전자 표현의결과에대한정보까지제공해주었다. 또한, 초고속약물탐 지에서의감염된세포의미세배열은 Sabatini를비롯한사람들에의 해서적용되었다[64]. 최근들어서는동결세포나미세접촉프린팅 등을이용한세포기반의미세배열이개발되고있다[65].
최근본연구진은합성에의하여제조된올리고펩티드를이용하 여 세포를 고정하는연구를 수행하여 왔다. 세포부착 수용체
(Integrinsuper Family)중에가장널리알려진하나인 R-G-D 시퀀스
를모델로, 반복된 4개의 R-G-D 그룹과이를시스테인과결합하여
시스테인의티올(Thiol)그룹에의하여자가조립될수있는세포칩 플랫폼을개발하고자하였다. 위와같이제안된올리고펩티드를이
용하여살아있는세포를금(gold) 박막상에고정화할수있으며, 독
성물질과같은세포의대사작용을방해하는물질에따른세포의거 동변화를 SPR을이용하여확인할수있다. 제안되는세포칩분석법
은앞으로실시간 in situ 분석을가능하게할것으로전망되며, 환경
모니터링, 생물학적테러감지용바이오센서로활용가능하다.
전술한바와같이, 세포칩은살아있는세포를중심으로세포의 신진대사를기반으로세포의신진대사변화를보다신속하고빠르 게검출할수있는강력한분석도구로서암을포함한각종질병원 인의규명과이에관여하는세포의이상/변이대사작용의해석을 가능하게할것으로전망된다. 이와같은세포칩은앞으로유전체 학과단백질체학을진보시킬수있는거대한잠재력을지니고있 는것으로전망된다.
6. 결 론
바이오소자기술은어느한학문에기반하는것이아니라, 물리
학, 화학, 화학공학, 생물공학, 전자공학, 기계공학, 등상호유기적 인의사소통과협력하에연구가수행돼야한다. 화학공학을기반 으로연구되는생체분자막의형성및배열구조특성규명, 반도체 제조기술에기반을둔식각기술의개발, 화학에서연구되는기능성 생체분자의네트워크형성과소자구성시의안정성검토, 물리학에 서연구되는생체분자간의정보처리및전자전달현상의규명, 생 물공학에서연구되는단백질공학과유전공학적기법을이용한생 체분자의설계및제조, 기계공학에서연구되는소자의설계, 전자 공학에서연구되는회로의구성과생체분자와전자소자의연결을 위한구조설계와이에따른전기적특성을규명하는연구들이유 기적으로결합되어야만가능할것이다. 결론적으로바이오소자의 개발은단기간에비약적으로이루어질수있는것들이아니며여 러 기반기술의결합을통해서구현될 수있는 복합기술(hybrid technology)이다.
바이오소자는현재는기존무기물전자소자에비하여기술수준
이뒤떨어져있는편이나, DNA 칩, 단백질칩, 세포칩등의바이
오칩분야에서상용화기술이개발되고분자다이오드, 분자정보 소자및발광소자등의미래형전자소자기술이꾸준히개발되어 진다면이들기술이복합적으로연계되어새로운기술이개발될가 능성이높다고사료된다. 이러한바이오소자기술이개발되면기존 기술의혁신을가져오며새로운산업분야를창출할것으로전망된다.
감 사
이논문은 2005년정부재원(교육인적자원부학술연구조성사업비)으
로한국학술진흥재단의지원을받아연구되었습니다(KRF-2005- 005-D00003).
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