21세기 블루오션 ‘바이오칩’

Bio Chip

서 론최근 수십 년간의 급속한 산업화와 경제문명의 발전, 반면에 에너지 사용의 급증에 따른 유효 에너지의 감소 및 엔트로피(무효에너지)의 증가는 환경뿐 아니라 인류의 건강 및 생존에 대한 문제와 관심을 제기한다. 현재 과학계는 인간의 생명연장 및 환경오염의 방지에 대해 그 어느 때보다도 큰 관심을 가지고 연구를 진행하고 있다. 그 중 특히 질병의 예방 및 진단에 대한 연구는 매우 중요한 비중을 차지한다. 질병의 진단이란 그 질병에 특이적인 생체물질의 감지를 의미한다.또한 생체물질 감지라고 하는 것은 어떠한 목표 대상물질과 효소, 미생물, 항체, 수용체, 세포, 단백질, DNA 등의 사이에 발생하는 화학반응 또는 물리적 거동에 의해 야기되는 물리량을 감지하여 그 대상물질의 정보 및 양을 알아내는 것이라고 할 수 있다. 이러한 생체물질 감지 방법 중 고전적 방법으로는 전기화학식, 광학식, 열식, 직접질량측정식 등이 있다. 이들은 각각 약한 신호 변별력과 민감도 또는 장비의 대형화, 비싼 가격, 긴 측정시간 등의 해결해야 할 문제점을 가지고 있다.1-3따라서 감지능력이 탁월하면서도 소형이고, 대량생산이 가능한 방법을 제시하기 위한 노력이 활발히 진행중이다. 생체물질의 감지를 위한 센서 활물질과 현대 미세공정기술의 메카인 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 또는 NEMS(Nano Electro Mechanical System) 기술의 접목으로 발전하고 있는 바이오칩이 유력한 후보로 인정되고 있다. 마이크로/나노 바이오칩은 극미량의 시료를 초고속으로 분석하는데 매우 적절한 기술로서 칩의 표면에 선택적, 기능적으로 생체고분자 물질을 고정하는 기술과 칩의 표면에 결합된 생체물질을 분석하는 기술이다.4 센서 표면에 결합한 고분자 물질은 질량분석기술, X-ray photoelectron spectroscopy, ellipsometry fluorescence spectroscopy, scanning probe microscopy 등 다양한 기술에 의해 분석될 수 있으며 생체 고분자물질 간의 상호작용은 surface plasmon resonance(SPR), total internal reflection fluorescence microscopy, electro-chemical impedence spectroscopy 등의 광학적, 전기화학적 방법에 의해 분석될 수 있다.4-5일반적으로 바이오칩은 마이크로플루이딕스칩과 마이크로어레이칩으로 분류되며, 또한 생체 대상 물질의 종류에 따라 저분자칩, 효소칩, 미생물칩, 세포칩, 단백질칩, DNA칩 등으로 구분된다.6 본 논문에서는 바이오칩의 연구동향에 대해 조망해보고, 현재 연구 및 산업화에 주력하고 있는 조직 및 기관칩, 세포칩, 단백질칩, DNA칩의 각각의 감지원리와 기술을 소개 및 토의하고자 한다.바이오칩 동향마이크로/나노 디바이스들을 이용, 하나의 시스템으로 구성한 LOC(Lab-On a Chip)의 실현을 위한 마이크로/나노화 기술은 마이크로액추에이터, 미세유로, 미세 전처리소자, 유체 및 샘플 분리장치 등 요소부품을 하나의 칩에 집적화하는 시스템을 말하는 것이다. 또한 마이크로/나노 생체감지 기술은 현재 진행중인 인간의 세포, 단백질과 DNA를 포함한 생체물질의 연구결과를 바탕으로 극미량의 시료로부터 특정 질환을 임상진단할 수 있는 통합적인 시스템을 구축하려는 시도로부터 출발한 것이다. 현재 이러한 마이크로/나노 바이오칩을 구현하려는 기술은 미국 내의 단백질칩 및 DNA칩을 제작하고 있는 Affymetrix, Agillent thchnology, Nanogen 등의 기업과 U. of Minnesota, UC Berkley, 그리고 Oak Ridge National Lab, IBMT, IMT, IMN 등의 학교 및 각종 연구기관에서 활발히 연구되고 있다.마이크로 바이오칩의 2000년부터 국가별 특허출원 현황을 살펴보면, 미국 특허는 2001년 최고치를 기록한 후 감소하는 경향을 보인다. 유럽, 일본도 수치의 차이를 보이긴 하지만 2002년 최고치를 기록한 후 감소하는 경향을 보인다. 괄목할만한 것은 2004년에 출원된 마이크로 바이오칩 분야의 한국특허가 유럽과 일본보다 많다는 것으로 보아, 한국도 이제 양적인 면에서 성장을 거듭하고 있다고 말할 수 있다.기술별로 살펴보면, DNA 관련 기술이 전체 특허의 63%를 차지했으며, protein 관련 기술이 23%, tissue & organ 관련 기술이 10%, cell 관련 기술이 4%의 분포를 보이고 있다. 성숙기에 접어들고 있는 DNA 관련 기술에 비해, protein 관련 분야에 대한 연구개발은 증가하고 있으며, 가시적인 연구결과가 나오기 시작한 것으로 보인다. 반면 tissue & organ, cell 관련 분야는 아직 미미한 수준이나, 이 분야에 대한 연구개발이 점차 증대할 것으로 예측된다.DNA 마이크로어레이 기술은 성숙기에 이미 접어들었기 때문에 상대적으로 LOC 관련 기술이 활발히 연구개발되고 있는 것으로 판단된다. Protein 마이크로어레이 기술은 상대적으로 비교하였을 때, 아직 발전기에 있다고 얘기할 수 있다. 출원된 특허의 수는 적지만, cell 관련 기술은 마이크로어레이 기술 분야가 좀 더 활발히 연구되고 있는 것으로 판단된다.바이오 감지기술바이오 감지 기술로는 새롭게 고려된 방법과 기존의 유기 또는 무기성분의 감지방법으로부터 발전한 방법이 있다. 현재 마이크로 바이오칩 기술에서는 하나의 시스템 내에서 시료의 전처리 및 공급, 반응, 감지를 목표로 마이크로플루이딕스와 마이크로어레이를 결합한 LOC 기술을 목표로 한다. 따라서 어느 하나의 원리보다는 그 이상의 감지원리를 복합적으로 필요로 하게 된다.마이크로 바이오칩 감지원리는 여러 가지가 있지만, 본 논문에서는 그 중 단백질칩과 DNA칩의 대표적인 방법을 중심으로, 표지(label)분석방법인 형광분석법과 비표지(non-label)분석방법인 전기영동법, 크로마토그래피법, 질량측정법, AFM법, SPR법, SAW법, FPW법, QCM법 그리고 현재 큰 신호 변별력과 높은 민감도, 초소형화에 큰 이점을 보이고 있는 PZT 압전 캔틸레버를 이용한 공진센서법에 대해 설명하기로 하겠다.형광분석(Fluorescence)법3형광분석은 그림 2와 같이 단백질 칩 분석에 있어서 다른 분석 방법에 비해 단순하고 민감도가 매우 높기 때문에 널리 사용되고 있는 방법이다.7-8 Schreiber 연구팀은 화학적으로 표면 처리된 유리기판 위에 protein G, p50, FRB 단백질을 집적화시키고 상호작용하는 단백질을 기존의 array scanner를 이용하여 성공적으로 분석하였다.9 이 연구는 처음으로 10,000개가 넘는 spot을 가진 단백질칩을 분석한 것이며 단백질칩 기술 개발에 촉진제가 되었다. Snyder 그룹에서는 효모로부터 5,800개의 단백질을 정제하여 유리기판에 집적화시킨 후 단백질의 활성도를 비교분석한 바 있다.10최근에는 calixcrown으로 표면 처리된 유리기판을 사용하여 integrin-extracelluar matrix 단백질의 상호작용이 형광을 이용하여 분석되었다.11 다른 분석방법으로 sandwich assay 방법이 있는데, 이는 항체와 같은 두개의 capture molecule을 이용하는 것이다.12 Sandwich 방법은 두 개의 capture molecule이 동시에 단백질을 인지하는 것과 상호작용을 나타내는 신호를 발생하기 때문에 매우 특이적인 방법이다. 그러나 이 방법은 각각의 단백질에 대해서 두 개의 특이적으로 결합하는 물질이 있어야 하는 단점을 가지고 있다.3전기영동(Electrophoresis)법Electrophoresis 기술은 전기장 속에서 이온의 이동이 전기장 내에 존재하는 이온의 분리 유발을 이용하는 방법이다. 전기장 내에서의 전하를 가진 이온의 속도는 다음과 같다.v = q E fq : 이온의 전하E : 인가 전기장f : 마찰계수단백질을 포함한 많은 생물학적 화합물과 같은 DNA 분자는 전하를 수송하며, DNA의 경우에는 음전하를 나타낸다. 따라서 DNA 분자들이 전기장 속에서 존재하면 양극쪽으로 이동하게 된다. 수용액 속에서 분자의 이동은 형태와 하전량의 두 가지 요인에 의해 의존하게 되며 수용성의 전기영동 시스템 속에서 대부분의 DNA는 거의 같은 속도로 이동한다. 현재 DNA의 전기영동은 agarose나 polyacrylamide의 두 가지 젤(gel)로 구성되거나 두 개의 혼합물에서 실험한다. 젤 속에서 분자의 이동은 세 번째의 인자에 의해 영향을 받는 데, 바로 그것의 크기이다.젤이 복잡한 기공으로 연결되어 있어서 분자는 그 기공을 통하여 이동해야만 하고 작은 분자가 더 빨리 전극으로 이동해 가며, 따라서 전기영동의 크기에 따라서 분자를 분리하게 된다. 이와 같이 젤 전기영동은 대략적으로 다른 분자량의 단백질을 분리하는 데 이용된다.전기영동을 이용한 마이크로 디바이스는 Woolley 등을 비롯한 많은 연구자들에 의해 연구되고 있다. MEMS 공정에 의하여 제조된 극미세 모세관(capillary) 어레이(array) 전기영동칩을 이용한 초고속 DNA 조각 분리가 연구되고 있으며, Nanogen에서 출원한 미국특허에서도 이 방법을 응용한 분자생물(molecular biological) 분석과 진단에 보다 효율적인 방법을 제안하고 있다.질량측정(Mass Spectrometry)법원자나 분자가 그들의 기질에서 질량에 따라 분리되는 것을 분석하는 기술이다. 샘플은 진공중에서 기체화되고 이온화되어 질량분석기에서 서로 다른 질량을 감지하여 그 종을 알아내는 것이다. 시료의 이온화는 electron bombardment에 의해 이루어지고, 이온화 영역에 들어간 가스 분자는 전자선과 충돌하여 전자를 잃어 양이온으로 된다. 또한 양이온으로 하전된 이온과의 재충돌로 발생하는 이온들이 존재하는데, 이러한 이온 발생과정을 chemical ionization 이라고 한다. 분석방법으로는 magnetic sensor analyzer, quadruple analyzer, ion trap analyzer, time of flight analyzer, ion cyclotron resonance analyzer 등이 있다. 현재는 하나의 방법이 아니라 여러 가지 방법을 복합적으로 혼합하고 시스템의 크기를 작게 하기 위하여 연구중이다.AFM법3AFM 방법은 단백질칩 위에 결합된 단백질을 확인하기 위한 표면의 tomography 정보를 제공해 준다. 또한 AFM cantilever를 화학적으로 처리하여 cantilever에 고정화된 단백질과 고체 표면에 고정화된 단백질간의 상호작용을 tip이 휘는 정도를 이용하여 분석하는 방법도 시도되고 있다.3SPR법3현재 단백질칩을 분석하기 위해 가장 널리 이용하고 있는 비표지 방법으로 SPR 분석을 들 수 있다. 이 방법은 금 박막(gold film) 위에서 단백질의 상호작용이나 농도변화로 인해 발생하는 박막 두께와 굴절률 변화를 통하여 분석하는 것이다.17-18 SPR 방법은 단백질을 labeling 하지 않고 단백질 상호작용 분석을 실시간으로 할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 그림 6은 spectral SPR biosensor의 nano-imaging 분석 방법에 의해 항원-항체의 상호작용을 분석한 결과를 보여주고 있다. Nano-imaging에 의한 단백질칩의 분석은 단백질의 분포를 1nm 이하까지 정확하게 분석할 수 있는 장점을 가지고 있다.또한 SPR 분석 방법은 단백질칩의 분석 후 단백질을 회수할 수 있어서, 기존의 MALDI 질량분석 방법과 함께 분석할 수 있는 장점을 가지고 있다. 또한 AFM을 이용하여 단백질이 결합된 표면을 확인하고 표면의 tomogrphy를 얻을 수 있는 장점이 있어 단백질체 연구에 유용하게 사용될 것으로 예상되고 있다.3SAW(Surface Acoustic Wave) 또는 FPW(Flexural Plane Wave)법SAW는 interdigital transducer를 이루고 있는 결정의 표면에 증착된 전극에서 발생된 표면을 진행하는 표면 탄성파를 이용하는 방법이다. Rayleigh wave, horizontally polarized shear wave, Lamb wave, acoustic plate wave의 탄성파 중에서 표면 사이의 반사에 의해 진행하는 acoustic plate wave mode가 바이오센서에 이용되고 있으며 또한 비슷한 형태나 파가 진행하는 부분을 에칭 기술에 의하여 수 마이크론 크기로 얇게 한 FPW를 이용한 경우도 보고되고 있다.SAW 디바이스가 QCM에 비해 더 높은 주파수에서 동작할 수 있으므로 같은 주파수에서 감도가 떨어진다. 일정한 점도를 가진 액체 내에서 SAW 디바이스의 완전한 작동 여부가 여전히 논란의 대상이 되고 있지만, 가능성 면에서 잠재적인 장점을 가지고 있으며 FPW 모드를 이용한 센서의 활용성에 대해서는 UC Berkeley의 White 교수를 중심으로 다양한 분야의 응용을 위하여 지속적으로 연구되고 있다.QCM법압전효과 중 공진 특성을 이용한 방법으로 어떤 구조물의 공진 특성은 구조물의 무게, 모양, stiffness 등에 의하여 일정한 값을 가진다.F2 = 2.3 × 10-6 f2 M / AF : 질량증가에 의한 공진주파수 증가분f : 초기 공진주파수M : crystal 표면에서 질량의 증가량A : crystal 전극의 넓이이러한 구조물의 구조나 혹은 무게가 변할 때에 공진 특성은 변하게 되며, 이 원리를 이용한 여러 가지 센서가 개발되고 있다.그림 7과 같은 QCM은 유체 공급 시스템과 통합되어 극소량의 질량변화에 따라 변화된 공진주파수를 실시간으로 측정함으로써 단분자의 한 부분이나 원자 한 층과 같은 미세한 변화도 감지하여 측정할 수 있다. 특히 액체의 흐름이나 점탄성 상태에서 사용할 수 있도록 개발되었으며, 분자에 표식을 하지 않고도 측정할 수 있는 장점이 있다.19압전캔틸레버(Piezoelectric Cantilever)법수정 단결정은 마이크로시스템에 탑재할 수 있을 만큼 소형화에 한계가 있고 센서의 컨트롤 회로와 일체화된 마이크로 센서의 구현에 어려움이 있다. 수정보다 훨씬 압전 및 공진 특성이 우수한 PZT 막을 이용하여 MEMS 기술로 구현된 캔틸레버를 제조함으로써 transverse 웨이브를 발생하는 공진자를 구현 보다 우수한 센서로 응용하고자 하는 것이다. 특히 점도를 갖는 유체 내에서의 진동은 보다 변형력이 우수한 PZT와 같은 물질이 훨씬 우수한 진동 특성을 보이게 된다.이러한 형태의 연구로는 일본, 스위스, 미국, 영국 등의 몇몇 연구자들에 의해 마이크로 액추에이터로서 연구되고 있다. 이러한 압전막을 이용한 캔틸레버 형태의 바이오센서 응용은 미국 U. of Minnesota의 Polla 교수 그룹에서 affymetrix 사와 공동연구에 의해 진행되고 있으나 아직 그 성과는 미미하다. 또한 Oak Ridge 국립연구소의 Thundat 그룹에서도 캔틸레버를 이용한 수분감지, 중금속 감지, UV 및 IR radiation 감지, 점도감지, oligonucleotide probe를 이용한 DNA 감지에 대한 결과를 보인 바 있지만, 검지방법이 static 상태에서의 캔틸레버의 휨을 이용한 것에 대한 결과이며, 교류를 이용한 dynamic 모드의 공진주파수 변화에 대한 결과는 발표되지 않고 있다. 오히려 본 저자가 속한 연구그룹을 포함한 국내연구진에 의하여 공진 모드 압전 캔틸레버를 이용한 바이오 센싱의 큰 잠재력의 입증과 더불어 실제 생체물질 감지의 활발한 연구성과가 발표되고 있는 실정이다.22-26바이오칩 기술바이오칩은 다양한 분류 방법이 있으나 본 논문에서는 편의상 바이오칩에 올라가는 바이오컨텐츠에 의한 분류법을 따랐다. 바이오컨텐츠에 의해서 분류할 경우 DNA칩, 단백질칩, 세포칩, 조직(기관)칩 등으로 나뉠 수 있다. 본 절에서는 여러 종류의 바이오칩의 기술현황과 전망에 대해서 기술하고자 한다.DNA칩전 세계에서 거세게 일었던 게놈(genome) 연구의 결실로 박테리아로부터 인간에 이르기까지 엄청난 양의 새로운 유전자 정보들을 가지게 되었다. 점점 향상되고 있는 유전자 암호 해독기술(DNA sequencing)의 발달로 이들의 수는 급속히 늘어날 것으로 예상되며, 지금도 수백 종 이상의 생명체 게놈 연구가 진행되고 있다.이러한 노력들은 단지 게놈 염기 서열만을 알기 위해서 시작된 것이 아니라 게놈 염기 서열 안에 들어 있는 유전자 암호(RNA→단백질)를 얻는 것이다. 이렇게 얻어진 단백질들의 기능을 부여하는 작업을 functional genomics 연구라고 말할 수 있다.이러한 노력으로 얻어진 게놈의 구조와 기능 정보들은 생명의 신비를 밝히는데 결정적인 도움을 줄 것이고 21세기 사회 전반에 걸쳐 새로운 시대를 열 것이다. DNA칩은 사용되는 생체물질의 용도, 시스템화 정도에 따라 다양하게 분류할 수 있다.일반적으로 DNA 마이크로어레이칩(microarray chip)과 DNA 랩온어칩(Lab-on-a-chip)으로 분류할 수 있다. 마이크로어레이칩은 대상 유전자나 단백질을 감지하기 위해서 프루브라 불리는 수천 혹은 수만 개 이상의 cDNA나 올리고뉴클레오티드를 어레이 형태로 배열시켜 부착하여 제조한 것이다. 랩온어칩은 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 기술을 이용하여 칩 위에 미세 유체 채널(microfluidic channel)이나 미세 챔버(microchamber) 등을 만들어 생물 및 화학 시료를 가지고 시료의 분리 및 정제, 혼합, 반응, 세척, 검출 등의 일련의 작업을 하나의 칩 위에서 할 수 있게 만든 것이다. 그 결과 칩 하나가 하나의 실험실 형태가 된다는 의미에서 렙온어칩이라 명명하는 것이다. 랩온어칩은 다양한 샘플을 아주 적은 양만으로 연속적으로 분석할 수 있는 방법을 제공하여 고속 처리 분석을 가능하게 하는 장점을 가지고 있다. 1990년대 후반부터 DNA 마이크로어레이 기술의 발전과 응용은 비약적인 성장을 보였으며, 현재 성숙기에 접어든 기술분야이다. 특히 신약 개발, 생명공학, 진단분야에서 중요한 기술로 정착되고 있다. 현재 상용화 되어 있는 제품을 구매하거나 구매자의 목적에 맞는 마이크로어레이를 제공받을 수 있다.또한 연구 목적에 맞는 마이크로어레이를 제작할 수 있는 시스템 역시 구매 가능하다. 향후 연구 기술은 고밀도 마이크로어레이의 제작과 마이크로어레이의 성능과 민감도를 증진시키기 위한 요소기술 개발에 초점이 맞춰질 것으로 예상된다. 또한 새롭게 대두되고 있는 비평면 형태의 마이크로어레이 칩 개발 또한 새로운 연구분야를 창조해 나갈 것이다. 마이크로플루이딕스를 이용한 마이크로어레이 성능 향상, 형광표지되거나 바코드화된 나노입자 혹은 구체를 적용한 연구가 현재 진행중이다. 단백질의 순수 분리, 단백질의 특성 분석, 단백질의 상호작용 분석, 신약 물질의 초고속 screening, 질병의 진단 등에 사용할 수 있다.DNA 칩을 제조하는 방식으로는 포토리소그래피를 이용하는 방법, 전기화학을 이용하는 방법, 가장 보편적인 방식으로 spotting하는 방법등이 있다.첫째로 포토리소그래피(photolithography)와 조합화학(combinatorial chemistry)을 이용하여 DNA 마이크로어레이를 만드는 방법이 있다. 올리고뉴클레오티드가 합성되는 유리의 표면은 각각의 염기들이 합성할 수 있게 보조체가 붙어 있다. 하지만 이들 보조체는 평소에는 빛에 민감한 화학 물질로 덮여 있어 염기들이 합성할 수 없다. 이러한 성질을 이용하여 특별히 설계된 포토마스크를 위에 놓고 빛을 쏘이면 구멍이 나있는 곳으로 빛이 들어가 그곳에 있는 보조체의 화학물질들을 제거한다. 이렇게 화학물질이 제거된 보조체들을 가진 칩을 한가지 염기가 있는 곳에 넣으면 모든 활성화된 보조체들에 염기가 가서 합성된다.물론 각각의 염기들도 빛에 민감한 화학물질로 덮여 있어 하나씩 밖에 합성이 안된다. 이러한 칩을 씻은 다음 다시 다르게 설계된 포토마스크를 이용하여 빛을 쏘아 주면, 그 곳에 있는 보조체나 염기들이 활성화되어 다음 염기들과 합성할 수 있게 되는 것이다. 이와 같은 반복적인 과정을 통하여 고밀도의 마이크로어레이를 제작할 수 있다(그림 9(a)). 포토마스크를 사용하지 않고, MEMS 공정으로 만들어진 디지털 마이크로미러 어레이를 포토마스크의 역할을 대신하여 올리고뉴클레오티드를 직접 칩의 표면 위에 합성하는 방법이 있다. 마이크로미러가 원하는 위치에 빛을 반사시켜 포토마스크의 역할을 대신한다(그림 9(b)).또한 국소영역에서 전기화학 반응을 이용하는 방법도 있다. 개별적으로 표지된 마이크로전극 주변에 화학반응물이 모여 있어 DNA 합성을 위한 가상의 플라스크 역할을 수행한다(그림 10). 수백 혹은 수천의 서로 다른 분자들을 합성할 수 있는 마이크로전극 어레이를 가진 칩을 제작한다. 각각의 전극 위에는 반응물들이 쉽게 붙을 수 있는 생물친화적인 층을 형성시키고, 전기화학 반응을 이용하여 원하는 물질을 합성한다. 그 결과 포토마스크 없이 고밀도의 DNA 마이크로어레이를 제작하게 되는 것이다.DNA 칩 제작시 가장 많이 이용되는 방법은 spotting 법이다. 고체(유리, 플라스틱 등) 표면에 올리고뉴클레오티드나 cDNA를 직접 고정화시키는 방법은 접촉식과 비접촉식으로 나눌 수 있다(그림 11). 접촉식은 미세하게 제작된 핀을 이용하여 DNA를 표면에 심는 것으로, 핀의 형태에 따라 solid pin, split pin, capillary tube, pin & ring으로 나눌 수 있다. 이렇게 미세하게 제작된 핀이 DNA를 plate에서 담아 컴퓨터가 지정한 똑같은 장소에 옮기는 것이다.비접촉식은 inkjet 원리를 이용하는 것으로, pin 대신에 computer inkjet printer에 쓰이는 것과 같은 원리의 카트리지를 사용한다는 것이 다르다. 각각의 카트리지 안에 DNA가 들어 있어서 전기적인 힘으로 DNA를 고형체 위에 뿌리게 되는 것이다. 뿌리는 방법에 따라 thermal, solenoid 그리고 piezoelectric의 3가지 방법이 있다. 이 기술의 장점은 DNA를 칩 표면에 닿지 않고 뿌릴 수 있기 때문에 정량의 DNA가 붙어 있는 많은 수의 칩을 생산할 수 있다는 것이다.단백질(Protein)칩인간의 유전자 지도를 완성함에 따라 제노믹스의 기술을 이용한 단백질 기반의 방법이 더욱 강조되고 있다. 단백질 수준에서 질병의 기전과 세포상의 작용을 통합적인 관점에서 보기 위해, 단백질 분석방법은 단백질 정량화, 유전자 번역 후 개조 또는 단백질 간 결합에 관련한다.그러므로 단백질 방법은 동적 반응뿐만 아니라 안정된 상호 작용에 대한 연구에서 DNA 기반의 기술을 보완한다. 연구되는 물질은 온전하거나 변형된 형태의 효소, 펩티드, 항원 및 항체와 같은 합성 및 생체 단백질이다.27 DNA와는 달리 단백질이나 항원은 일반적으로 화학적이나 구조적으로 더욱 복잡하고, 복합적이며 그 상호작용에 있어서 때때로 예측하기가 어렵다. 그러므로 일반적인 단백질 검출이나 단백질 간에 구별이 없는 고착 법을 정의하기 어렵다.DNA와 단백질간의 가장 큰 차이는 단일 샘플의 단백질 농축이 mRNA 수준보다 훨씬 다양하다는 점이다. mRNA가 104개의 인자인 데 비해 단백질 진단 시스템은 1014개에 이르는 넓은 범위에 적용 되어야 한다.27 이러한 이유로 DNA칩 보다는 좀 늦게 출발한 단백질칩은 단백질의 순수 분리를 위해 미소유체시스템(microfluidic system)을 이용해 질량분석 등 소량의 단백질을 이용한 분석에 매우 유용할 수 있다.단백질의 특성 분석은 단백질의 농도분석, 단백질의 동정(protein identification), 에피토프 동정 (epitope identification), 단백질의 당화(glycosylation)와 인산화(phospho rylation) 등과 같이 매우 다양하게 진행될 수 있다.단백질 상호작용 분석을 통한 association 및 dissociation 상수를 결정할 수 있으며, 초고속 screening 방법을 통해서 신약의 개발 및 질병 진단에 이용할 수 있다.특히 질병 진단은 질병의 특이 단백질(disease marker protein) 발굴이 완성되면 가장 중요한 단백질 분석칩 기술의 응용분야가 될 것으로 생각된다.생체고분자물질의 고정화 기술은 주로 분자적인 수준에서 연구 개발되고 있는데, 기본적으로 단백질을 고정화시키는 물질의 특성은 비슷하며 소수성 표면(hydrophilic surface), 이온교환 표면(ionexchange surface), 금속 결합 표면(metal-binding surface) 등을 이용한다. 특히 단백질의 성질을 유지하면서 고체 표면에 고정화시키는 방법으로 Langmuir-Blodgett 방법, layer-by-layer 방법, self-assembled monolayer 방법 등이 이용되고 있다.5그림 12와 같이 단백질을 고정화시키는 방법은 확산, 흡착, 공유결합 및 친화성 부착이 있는데 이중 친화성을 이용한 부착의 경우 단백질이 균일하게 부착되어 고유한 분자구조가 변하지 않는다.7 그러나 친화성 부착이나 결합하려는 단백질을 biotin으로 코팅하거나, 바닥에 streptavidin을 코팅하는 방법은 high-throughput에 적합하지 않아 더욱 일반적으로 적용이 가능하거나 단일 과정으로 표면을 최적화 하는 방법이 바람직하다. 이를 위해 기능성 poly(ethylene glycol)를 코팅하거나28 그림 13과 같이 dendrimer and PEG-epoxy를 비롯한 여러 가지 코팅 방법에 대해 비교하여 연구하기도 한다.29최근에는 개별적으로 이루어진 단백질 분리를 하나의 칩 안에서 복합적으로 구현하여 다단계에 걸쳐 분리하는 연구가 진행되고 있는데, 그림 14와 같이 MEKC와 CE를 이용하여 펩타이드를 2단계로 분리하거나30, CIEF와 CZE를 이용하여 모델로 삼은 단백질을 분리하고31, PDMS로 만든 마이크로 벨브로 유동을 조절하며 CIEF와 CZE를 결합하여 단백질을 분리하는 연구32가 진행되고 있다. 또한 그림 2와 같이 6층의 PDMS로 만든 미소유체 시스템을 이용하여 CIEF와 CZE를 결합하여 단백질을 분리하기도 한다.33세포(Cell)칩세포칩이란 세포생물학, 세포생리학, 신약 개발 등에서 필요한 세포들이 정보(세포의 이송, 유전자주입, 배양, 분화, 이온채널에 관한 연구들)에 대해서 연구할 수 있는 hardware platform을 의미한다. 세포 마이크로어레이(Cell Microarray)는 실질적으로 DNA 및 각종 유전자 연구에 적합한 도구로서 현재 확립되고 있다. 현재 제안된 세포 마이크로어레이라는 것은 한 개의 슬라이드에 수천 개의 확인된 DNA로 이루어져 있고, 그 위에 DNA에 의해 유전 생성물을 과잉생산 또는 저해하는 세포의 뭉침(Cell Cluster)으로 되어 있다. microfluidic 세포분석 칩은 세포샘플링, 세포트랩핑과 소팅, 세포처리 그리고 세포분석과 같은 4가지 과정을 순차적으로 칩 내부에서 수행한다. 초창기에는 각각의 과정을 단일 칩에서 구현하는 칩이 연구되었으나 최근에는 위 기능들이 통합된 Lab-on-a-chip 유형의 칩들이 주목을 받고 있다.세포 마이크로어레이 연구는 세계적으로 비교적 초기 단계이며 미국 Whitehead Institute의 Sabatini 팀이 선두 그룹으로서 2001년 Nature지에 Transfected-Cell Microarrays에 대한 연구결과를 발표하였다.34 cDNA/젤라틴 혼합물을 마이크로어레이로 어레이를 만든 후, cell line을 흘려 transfected-cell microarray를 형성하고, 발현된 단백질에 의해 나타나는 세포의 phenotype을 관찰하여 단백질의 특성을 분석하였다(그림 16).세포 마이크로어레이는 단백질칩에 비해 안정성이 높으며, 전사 후 modification이 일어난 단백질의 특성을 볼 수 있어 단백질칩으로 구현하기 어려운 막 단백질(membrane protein)의 마이크로어레이 형성이 용이하다는 장점이 있다. 또한 cDNA의 동정이 불필요하고 소형화가 가능하며 고정화된 cDNA의 안정성이 높아 high-throughput 분석이 가능하다. 단점으로는 발현된 세포의 phenotype이 in vivo 유전자 기능과는 다를 수 있고, transfectable cell line이 한정돼 있는 점이다. 여러 가지 관련된 한계점들이 극복될 경우 향후 세포마이크로어레이는 신약 개발비용을 획기적으로 감소시키고, 단백질칩의 새로운 대안적 방법으로 사용되며, 인체 질병진단 신기술로 활용될 수 있는 유용한 기술이 될 것이다.조직(Tissue)칩 및 기관(Organic)칩마이크로 가공 기술과 나노기술은 초소형, 저전력, 고기능성을 가진 소자를 만들기에 적합하고 다양한 물질에 대한 가공이 가능하므로 조직이나 장기와 같은 in-vivo 시스템에 적용하는 소자 제작에 매우 효과적이다. In-vivo 시스템에 적용되는 바이오소자는 생체적합성 문제때문에 연구개발이 매우 어렵지만 부가가치가 높고 파급효과가 크기 때문에 많은 연구자들의 관심의 대상이 되고 있다.바이오칩 기술이 in-vitro 시스템(DNA, 단백질, 세포 등)에서는 생물분자의 분리 및 해석에 초점을 맞추어 왔지만 조직이나 장기의 경우는 in-vivo 시스템의 특징을 가지기 때문에 소자의 생체적합성이 매우 중요한 기술이 된다. 소자의 기능이 생체 내의 면역 시스템으로 인해 기능을 잃게 되거나 생체적합한 물질이라 하더라도 질병을 유발하는 정도가 다른 것이기 때문에 소자를 이식할 경우 암과 같은 심각한 부작용을 유발하기도 한다.조직이나 장기에 적용되는 생의학적인 소자는 심장, 뇌(신경), 눈, 귀 등의 기관손상을 보조하고자 하는 부분과 당뇨, 암등과 같은 질병의 모니터링, 치료 및 통증완화 등에 연구가 진행되고 있다. 활발히 연구되고 있는 대표적인 연구분야로는 in-vitro 상태에서 사용돼 오던 바이오센서를 인체 내에 삽입하여 생체 내의 변화를 모니터링 하려는 연구, 체내에서 약물을 치료 부위에 효과적으로 전달하고자 하는 약물전달(drug delivery)연구, 뇌질환 치료를 위한 신경탐침 등이 있으며, 조직공학에서는 인공장기를 위한 스케폴드 형성과 패턴된 세포배양에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.맺음말21세기에는 정보량과 처리속도가 더욱 빠르게 증가하고 바이오산업이 성장기에 진입하며 환경오염규제가 더욱 심화됨으로서 마이크로-나노기술, 바이오기술, 정보통신기술은 3대 첨단기술로 주목받고 있다. 또한 이들 기술들의 융합에 의해 기술적 시너지가 클 것으로 기대하고 있다. 마이크로가공기술과 생명공학기술이 결합된 바이오칩 기술은 바이오 기술이 가지는 고부가가치성을 바탕으로 새로운 핵심기술로 성장할 수 있는 큰 잠재력을 가지고 있다.또한 사회가 발전하고 건강한 삶에 대한 욕구가 커짐에 따라 질병 진단 및 치료에 대한 요구가 커지고 있어 바이오기술에 막대한 연구비가 투자되고 있다.또한 의학의 비약적인 발전에 따라 평균수명이 증가함에 따라 질병의 상시 진단 및 모니터링에 대한 수요가 증가하고 환자에게 더 편리하게 신속하면서도 통증이 적은 의료 서비스를 해야 할 필요성이 요구되고 있다. 바이오칩 기술은 소형화, 고집적화, 저전력화가 가능하므로 나노기술을 접목하여 고감도이면서 신속한 진단을 간편하게 할 수 있는 현장진단(point of care) 시스템 개발을 가능하게 하고 있다. 또한 초소형화된 임플랜트 치료기의 개발을 가능하게 하여 의학기술의 새로운 가능성을 열어놓고 있다.그러나 생명현상의 신비를 밝히기 위해서는 유전자의 기능뿐만 아니라 단백질간의 상호작용, 세포 내에서의 네트워크 분석, 세포간의 상호작용 분석 등 많은 분야에서 고속으로 정확하게 생명체의 기능을 밝히기 위한 새로운 기술의 개발이 절실히 요구되며 유전체학(genomics), 단백질체학(proteomics), 세포체학(Cellomics), 생물정보학(bioinformatics) 등을 통하여 유용한 생체 정보로 가다듬는 것이 매우 중요하다.이를 위하여 생명공학(BT)과 정보공학(IT)이 자연스럽게 결합된 바이오칩(biochip) 기술 개발을 통하여 고속처리검색(high throughput screening), HCS(high contents screening), 대량의 생명정보(Massive bioinformatics) 처리의 기술이 뒷받침되어야 한다.

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이상헌 (webmaster@techworld.co.kr)

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