서론
바이오 산업이 급성장을 하면서 기존 장치가 해결 할 수 없었던 첨단 장치들이 속속 개발되면서 질병 치 료 목적으로 최근 연구되고 있는 세포치료제를 생산 한다거나 지구온난화 주범인 이산화탄소 고정을 위해 해양미세조류를 이용한 광합성 미생물 배양을 하는 경우 그 목적에 맞는 생물반응기(Bioreactor)를 사용 하여 이를 실현하고 있으나 바이오 물질의 복잡성과 생물의 다양한 신진대사 활동으로 인해 세포가 잘 배 양되도록 하는 환경을 제공하기 위한 최적 장치를 개 발하는데 어려움이 많이 따르고 있다. 따라서 여기서 는 생물반응기의 종류인 발효기(Fermenter), 세포배 양용 미세반응기(Micro-Bioreactor for Cell Culture) 및 광 생물반응기(Photo-Bioreactor)에 관한 기술을 소개하고 최종적으로는 마이크로 세포배양장치에 대 해 소개하고자 한다.
생물반응기(Bioreactor)란?
발효기(Fermenter)
가장 간단한 생물반응기로는 김치 또는 맥주 발효 와 같은 미생물 발효기가 있다. 전통발효라고도 하는 이런 발효는 온도와 시간만 맞춰주면 발효가정을 조 절할 수 있으나 첨단 발효공학은 발효 과정의 시작부 터 완료까지 모든 상황을 추적하고 기록할 수 있어야 하며 정밀한 제어가 필요로 하게 되었다.
㈜바이오트론은 국내에서 유일하게 이 분야에 대한 풍부한 개발 경험을 바탕으로 이미 1999년 발효기 사 업을 시작하였고 세계적으로도 가장 독창적인 동물세 포용 발효기 및 식물세포용 발효기를 국내 및 해외 시
장에 출시하여 많은 호평을 받고 있는 상황이다. 발효 기는 발효를 하기 전에 잡균이 용기 내부로 오염되지 않도록 하기 위한 실링 구조가 매우 중요하며 발효 전 반드시 멸균을 해야만 한다. 또한 발효가 진행되는 동 안 배양액 내부에 존재하는 각종 미생물과 세포들의 반응이 어떻게 진행되고 있는지에 대한 모니터링도 필 수이며 이를 위하여 온도, pH, DO(Dissolved Oxygen:
용존산소), RPM 및 기타 바이오센서들을 장착하여 발효가 시작되어 종료될 때까지 전 과정을 기록하여 보존하고 분석이 가능해야 한다. ㈜바이오트론은 이 분야에서는 국내 최고 기술을 보유하고 있으며 얼마 전에는 전세계 업계 최초로 유비쿼터스시스템을 이 분야에 적용하여 언제 어디서든지 누구나 쉽게 현재 발효가 진행되고 있는 상황을 모니터링하고 제어할 수 있도록 하였다.
[그림 1]은 발효기 장치들이며 구성은 [그림 2]와 같이 크게 3부분으로 구성되어 있다. 기구장치 구성으 로는 동물 및 식물세포와 미생물을 배양할 수 있는 용 기, 다양한 모양의 임펠러가 부착된 회전 축과 회전을 위한 정속모터, 배지를 공급할 수 있는 정량 펌프와 밸브, 공기 교반을 위한 에어스파저와 에어필터가 기 본적으로 구성이 되며 전기 장치로는 세포배양온도를 조절하는 전기히터 판이 있고 전자장치로는 발효공정
그림 1. 다양한 발효기 사진.
중 발생하는 온도변화, pH 변화 및 용존산소량의 미 세변화를 감지하는 센서와 이를 정밀 제어하는 제어 기로 구성되어 있으며 ㈜바이오트론에서 개발된 제품 은 다양한 발효 환경에서 어떻게 발효가 되는지를 상 세하게 모니터링하고 제어할 수 있으며 통계데이터까 지 수집, 기록, 분석할 수 있는 전용 소프트웨어까지 개발이 완료된 상태이다.
광 생물반응기(Photo-Bioreactor)
미생물 중에서 특히 광을 필요로 하는 미생물이 있 는데 그 중 바닷물 속에서 자라고 있는 것이 바로 클 로렐라와 같은 미생물이며 이런 미생물은 식물과 같 이 광합성을 하기 때문에 적당한 광량과 온도 그리고 이산화탄소를 공급해주면 스스로 광합성을 하면서 배 양이 잘되므로 현재 지구 온난화를 가속시키고 있는 이산화탄소를 광 생물반응기에 공급해 줌으로써 이산 화탄소를 효과적으로 감소시킬 수도 있으며 클로렐라 를 배양함으로써 영양제 및 바이오원료를 생산할 수 있는 장점이 있다. ㈜바이오트론에서는 이미 이 분야 에도 진출하여 원통형 및 사각패널형 광 생물반응기 를 개발하여 납품한 실적이 있으며 광 생물반응기 관 련 특허도 다수 보유하고 있는 상황이다. 광 생물반응 기는 일반 발효기와 달리 공급되는 기체가 이산화탄 소이며 배양되는 조건도 많이 달라 클로렐라 이외의 다양한 해양미세조류를 배양하려면 각 미세조류가 잘 배양될 수 있는 구조로 장치를 설계 제작하여야 한다.
[그림 3]은 광 생물반응기 장치이며 ㈜바이오트론 에서는 가장 적은 부피로 고농도 미세조류를 배양할 수 있는 장치 및 기술을 개발하여 특허 출원하였으며
태양광과 기타 장치를 결합시켜 가장 적은 에너지로 가장 높은 효율을 갖는 미세조류배양 전용 광 생물 반 응기를 국내 최초로 개발하였다. 이 방법을 사용하면 지금까지 가장 큰 고민이었던 저전력 고효율의 목적 을 동시에 달성할 수가 있어 세계 최초로 주목을 받을 수 있는 광 생물반응기가 탄생하게 될 것이다.
우주용 마이크로 바이오 리액터(Micro-Bioreactor) 지구에서는 모든 생물 성장환경이 중력의 영향을 받으면서 성장과 진화를 반복하는데 우주 공간에서는 중력이 마이크로 단위로 작용하므로 무중력에서 세포 와 미생물이 어떻게 분화하고 증식하느냐가 매우 중 요한 관심에 있다.
㈜바이오트론은 국내 최초로 유일하게 한국항공우 주연구원과 같이 2008년 4월 러시아에서 발사되는 우 주선에 마이크로 바이오 리액터를 탑재하여 대한민국 에서 선정한 한국 최초 우주인이 10일간 우주 무중력 공간에서 세포 및 미생물 성장 실험을 하는 프로젝트 에 참여하고 있다. 10일간 총 16개의 임무를 수행하고 오는데 15개는 대학 및 국립연구소 실험이며 기업체 는 유일하게 ㈜바이오트론이 선정되어 우주 무중력 조건에서의 세포배양 실험을 실시하게 되는 기업이 되었으며 실험 내용은 [그림 4]와 같이 인간 줄기세 포인 조혈모세포, 중간엽줄기세포, 골막유래전구세포 가 있으며 식물세포로는 형질전환 벼세포가 있고 미 생물로는 김치 유산균 및 독도 미생물이 우주환경에 서 어떤 변화를 일으키는지 실험 예정이다. 우주선에 탑재되는 장치는 무게와 크기 제한이 있어 [그림 5]
그림 2. 발효기에 장착되는 부품과 센서 및 트랜스미터.
그림 3. 광 생물반응기.
와 같은 모양으로 축소하여 집적화 하였다.
나노 바이오 리액터(Nano-Bioreactor)
사람은 지문과 같이 개인마다 서로 다른 독특한 본 인만의 유전자를 지니고 있으며 유전자 검사를 통해 질병 유무를 검사할 수도 있고 여러 가지 세포정보를 제공하여 주기 때문에 DNA 및 단백질(Protein) 칩 이 등장하여 본격적으로 나노 바이오 기술이 접목되 게 되었다. 아주 작은 양의 혈액만으로 사람의 질병을 진단할 수 있는 랩온어칩(Lab-on-a-chip) 기술이 상 용화되고 있는 중이다.
㈜바이오트론에서는 한국생명공학연구원과 이미 단백질 칩(Protein Chip) 개발에 성공하여 시판을 하 고 있으며 전용 링커(Linker)를 개발하여 특수 코팅
막에서 단백질 분석이 가능하도록 하는 기술을 개발 완료하였다. [그림 6]은 제조된 단백질 칩 구조이다.
바이오 센서(Bio-Sensor)
바이오 물질이 환경변화에 어떤 반응을 하는지 감 지하려면 주변 환경에 대한 반응을 센싱할 수 있는 바 이오 센서가 필수적이다. 온도, pH, DO, Glucose 등 배양 중 발생하는 여러 가지 화학반응을 감지하는 센 서가 많이 개발되어 있으나 가격이 매우 고가이므로 장치도 당연히 비싸게 되며 바이오 물질 특성상 오염 되지 않도록 사용 전 반드시 멸균을 해서 사용해야 하 는 단점이 있었다. ㈜바이오트론은 이러한 문제를 해 결하기 위하여 값싸고 정밀한 바이오 센서를 개발하 였으며 반도체 기술을 이용한 ISFET 구조의 센서를 국산화 함으로써 이를 기반으로 한 일회용 배양 카트 리지를 구현할 수 있게 되었다[그림 7].
그림 4. 우주에서 실험 예정인 줄기세포 종류.
(A) 골막유래 전구세포 (B) 제대형 유래 조혈모세포
(C) 중간엽 줄기세포 (D) 형질전환 벼세포
그림 5. 우주에서 실험 예정인 마이크로 세포 배양기.
그림 6. 링커분자 기반 단백질 칩.
후각 바이오 센서(System-on-a-chip)
최근에 후각에 대한 산업적 응용의 관심이 커지면 서 인간의 후각 작용을 모방하는 센서에 대한 연구가 진행되기 시작하고 있으며 현재는 전자 코에 대한 연 구가 많이 이루어져 있다. 전자 코 시스템은 코의 후 각세포에 해당하는 가스센서와 뇌의 후각정보 처리방 식을 모방한 패턴인식 소프트웨어를 이용한 냄새를 감별하는 전자처리 장치이다. 압전효과를 이용하는 QCM(Quartz Crystal Microbalance) 센서의 경우 측 정 제한범위가 매우 낮으며(nano-gram단위까지 측 정 가능) ㈜바이오트론에서는 첨단 바이오센서의 실 용을 앞당기기 위해 서울대학교와 공동연구로 개발 중에 있다. 상기 기술을 완성시키기 위한 수단으로서 QCM 방식 센서를 system-on-a-chip 형태로 만들어 제작해야 한다[그림 8].
일회용 바이오 카트리지(Disposable Cartridge for Bioreactor)
세포를 어떤 일정한 부피의 용기에서 배양을 하기 위해서는 반드시 일정한 온도와 이산화탄소가 공급되 는 조건이 갖추어진 인큐베이터가 필수적이며 배양용 플라스크를 바이오 세이프 쳄버 내에서 미디어를 주 입하고 다시 배양하는 방식을 적용하게 되므로 세포 가 배양 중 오염의 발생이 있을 수 있고 부정확한 배 양 조건으로 인해 실험 결과에도 일관성이 저하될 수 있다. ㈜바이오트론에서는 일회용 바이오 카트리지를 개발하여 이러한 문제점을 해결하였으며 이미 멸균된 카트리지에 세포를 주입하고 카트리지 내부로 이산화 탄소와 미디어가 일정한 유량으로 흐를 수 있도록 함 으로서 배양 중 오염이 되는 문제도 해결하고 초소형 반도체 센서 적용으로 매우 저렴한 가격의 일회용 바 이오 카트리지를 개발하였으며 부착성 세포와 부유성 세포에 따라서도 배양이 잘 될 수 있도록 여러 가지 내부 코팅을 실시하여 어떤 배양 조건에서도 잘 성장 이 되도록 하였다. [그림 9]는 다양한 형상의 바이오 카트리지를 나타낸 것이다.
세포 이미지 촬영장치(Cell Image Microscope) 세포가 성장하는 동안 배양 조건(미디어의 양, 유 속, 온도, pH 등)에 따라 세포의 모양이 다양하게 변 해가며 분화가 일어나는데 이를 실시간으로 모니터링 하려면 성능이 우수한 세포 이미지 촬영장치가 필요 하다. 세포 이미지를 보는 방법은 일반 광학식, 위상차
그림 7. 반도체 pH, DO 측정용 바이오 센서.Odorant chamber for control of T and P
Data collection with personal computer
Signal processing with reference frequency Automatic sample
injection system
Detection chamber
Computer
Reference Frequency
counter
Oscillator circuit T: temperature
P: pressure
CO2 Temperature, Humidity control 1 2 3 98 99 100
그림 8. System-on-a-chip의 일종인 후각 세포를 이용한
바이오 센서 시스템의 원리. 그림 9. 다양한 형상의 바이오 카트리지.
현미경, 공초점 현미경 및 홀로그램 레이져 방식이 있 으며 ㈜바이오트론에서는 세포 이미지 촬영 용도에 맞도록 4가지 이미지 장치를 모두 개발 완료하였으며 세포의 2차원 이미지를 관찰하는 데에는 일반 광학식 을 적용하고 세포를 입체적으로 관찰하는 데에는 레 이져를 사용한 3차원 방식을 채택하였다. 시판되는 세 포 이미지 촬영장비는 매우 고가이며 부피도 커서 사 용시 실험실 한편에 배치하여 사용하는 방식이나 ㈜ 바이오트론에서는 부피를 최대한 줄이고 세포 이미지 촬영전용으로 개발하여 원가를 대폭 줄였으며 촬영된 이미지는 실시간으로 컴퓨터에 저장이 되고 언제든지 세포가 성장했던 모습을 관찰하고 분석 할 수 있도록 하였다. [그림 10]은 ㈜바이오트론에서 개발한 세포 이미지를 촬영 장비들이다.
세포 치료용 바이오 리액터(Bioreactor for Cell Therapy) 미래에는 의약품 투여나 수술을 하지 않고도 환자 자 신의 세포 중 복원이 가능한 줄기세포를 체외 밖에서 분리, 배양하여 다시 시술하여 치료하는 방식의 세포 치료법이 유망의료 기술로 각광을 받을 것이다. 이미 피부세포와 간 세포 등은 환자 줄기세포를 이용하여 치 료가 성공한 사례가 계속 발표되고 있어 세포치료용 바 이오리액터 시장 전망은 매우 밝다. ㈜바이오트론에서 는 최근 줄기세포치료용 바이오 리액터를 개발하여 해 외전시회에 출품했으며 전시 참관 업체 및 관람자들의 관심을 많이 받았다. 제품의 구성은 바이오 세이프 쳄 버 내부에 오염을 최대한 방지할 수 있는 ㈜바이오트론 자체 개발 바이오 카트리지를 내장하고 초소형 정량 펌 프와 반도체 센서를 장착하여 연속 세포 배양이 이루어 지고 배양이 되는 세포의 이미지도 동시에 촬영이 되게
함으로서 한 장비에서 동시에 여러 가지 세포를 배양할 수 있도록 하였다. ㈜바이오트론의 기술이 총 집중된 장비이며 환자 맞춤형 세포 배양기를 적기에 공급 함으 로서 국내외 줄기세포은행, 병원 및 연구소에 많은 수 요가 예측된다. [그림 11]은 ㈜바이오트론에서 개발한 세포 치료용 바이오 리액터이며, 케이스 내부는 헤파필 터를 사용하여 외부의 오염된 공기가 내부로 유입되는 것을 최대한 방지 하였고 챔버 내부에 세포 배양에 필 요한 모든 장치를 집적시켜 제어 패널로 조정이 가능하 도록 하였고 세포 배양 시작에서 종료까지 모든 과정을 기록 보존 분석이 가능하도록 하였다.
결론
최근 급성장하는 바이오 산업에 적극 대응하는 전략 은 신개념의 바이오 리액터 장비를 지속적으로 개발 공급하여 기존 장치가 해결을 할 수 없었던 문제점을 해결해 나가는 것이 최선이며 ㈜바이오트론에서는 기 존 발효기 사업과 생명과학장비 사업을 기반으로 첨단 줄기세포치료용 바이오리액터에 이르기까지 다양한 장치를 개발 제조 중에 있으며 BT, IT, NT 기술이 접 목된 융합기술을 적용하여 국내 뿐 아니라 해외에서도 매우 유망한 사업분야로 진출하는 것을 기본 사업으로 하고 있다. 세포치료용 바이오 리액터의 경우 초소형 마이크로 나노 펌프 및 초소형 광학식 바이오 센서와 미세유로 구조를 갖는 카트리지 제조 기술 등 기술 난 이도가 매우 높은 제품이므로 화학연구원, 생명공학연 구원, 우주항공연구원, 전자부품연구원, 서울대학교, 인 하대학교 등과 같이 산학연을 지속적으로 수행하고 있 으며 이 분야에서의 바이오 파트너링을 할 수 있는 업 체 및 기관을 지속적으로 찾고 있는 중이다.
그림 10. 세포 이미지 촬영 장비.
그림 11. 세포 치료용 바이오 리액터 장비.
