IT+BT 융합 연구 결실
식품 독소·질병 조기진단 위한 바이오센서 칩 및 자동검출 시스템 개발

- 다종 검사체를 반도체칩 하나로 진단 및 검출
- 음식물·혈액 한방울로 집에서도 초간편·초고속 진단 가능
- 혈구·혈장 분리 가능한 ‘혈액 전처리 칩’도 함께 개발

혈액 한방울로 30초만에 암을 진단할 수 있다면? 미래에서나 가능할 것 같은 기술이 실제로 개발되었습니다.

한번에 다양한 식품 독소나 질병을 조기에 검진할 수 있는 초간편, 초고속의 분석기기의 핵심기술이 국내연구진에 의해 개발됐는데요, ETRI(한국전자통신연구원, 원장 김흥남)는 세계 최초로 다종의 식품 독소나 암 진단을 위한 마커(marker)를 반도체칩 하나로 검출할 수 있는 ‘다중 검사 바이오센서 칩 및 자동 검출 시스템’을 개발했다고 5일 밝혔습니다.

[그림1]바이오센서 칩 및 자동 검출 시스템 개요도


이번에 개발한 기술은 거대전하(물체가 띠고 있는 정전기의 양) 나노입자를 이용무전하/저분자의 검출용 시그널 증폭기술반도체 CMOS(상보형금속산화반도체(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)로 소비 전력이 매우 적다는 이점을 가지며 휴대용 계산기, 전자시계, 소형 컴퓨터 등에 널리 활용) 기술을 이용한 것으로, 그동안 바이오 칩의 상용화에 가장 큰 걸림돌이 되었던 신뢰성을 개선하기 위한 노력이 돋보인 기술입니다.

무엇보다 반도체의 고집적 기술을 활용하여 100개의 나노센서로부터 측정된 값들을 통계적으로 처리함으로써 재현성과 수율(transport number-전해질 용액에 전류를 통하면 음 이온은 양극으로, 양 이온은 음극을 향해서 이동하여 양 이온으로 전기를 운반하는 데 이 때의 양쪽 이온이 전기를 운반하는 분담 비율)을 현저히 높이고, 이를 통해 진단의 정확도를 향상시켰습니다.

[그림2] 바이오센서 칩 및 자동 검출 시스템 기술 구성도

뿐만 아니라 ETRI 연구팀은 현장진단용 초고속 혈액 전처리칩도 함께 개발했다고 밝혔는데요, 이 칩을 이용하면 일반인 누구나 의료진의 도움 없이 30초 이내에 전자동으로 혈액 한 두 방울에서 혈구와 혈장을 분리할 수 있고, 이를 통해 간편하고 신속하게 혈액 진단검사를 할 수 있게 됩니다.

참고로, 일반적으로 혈액을 이용한 진단검사를 하려면 혈구와 혈장을 분리하는 기술이 요구된다고 하네요.

이번 연구성과로 식품 독소 및 암 질병 조기 진단이 한층 간편하고 쉬워질 전망입니다. 식품 독소 분석은 주로 시료 준비에 장시간이 소요되고 고가장비와 숙련된 전문가에 의해서만 이루어져 왔지만 앞으로는 일반인들도 쉽게 휴대형 바이오 칩을 통해 식품 독소를 감지할 수 있어, 검역소뿐 아니라 요식업소, 급식소 및 일반 가정에서도 식품안전성의 현장 검사기로 활용이 가능할 것으로 보입니다.

[그림3] 현장진단용 초고속 혈액 전처리칩

또한 이번 개발은 현장진단용 의료기기 시장에서도 상당한 파급력을 가질 것으로 보입니다. 이번 기술 개발로 로슈(Roche), 지멘스(Simens), 애보트(Abbott) 등 글로벌 기업들이 장악하고 있는 현장진단용 의료기기 시장에서 국산기술을 이용한 국내기업들의 제품 출시가 봇물을 이루고 시장 점유율을 높일 것으로 예상됩니다.

[그림4] 소형 자동화 검출 시스템(바이오센서 칩 확대 모습)

이번 ETRI의 성과는, 반도체기술, 나노바이오기술, 바이오멤스기술 등을 융합함으로서 반도체칩 하나로 복잡한 진단검사를 정확하게 수행할 수 있다는 점에서 식품위생서비스, 의료서비스는 물론 반도체 시장에도 새로운 성장동력을 제공할 수 있을 것입니다.

ETRI는 이번 기술의 조기 상용화를 위해 바이오센서, 의료진단기기 업체 등에 기술이전을 추진 중에 있는데요, 산업체로의 기술이전이 완료될 경우 2년 이내에 관련 시장에 제품이 출시될 수 있을 것으로 내다보고 있으니 실생활에서 접하게 될 날도 머지 않을 것으로 보입니다.

[그림5] 소형 자동화 검출 시스템


 출처 : 한국전자통신연구원 보도자료

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굿가이(Goodguy)

우리 생활 속 과학이야기

나노 바이오센서,
소량의 DNA만으로 질병을 진단한다!


작은 센서로 암과 같은 질병을 빠르게 진단하는 것이 가능하다면 우리가 사는 세상은 어떻게 변할까요?

http://www.flickr.com/photos/argonne/3838005246/ @Argonne National Laboratory


암 같은 경우는 증상이 나오기 전에는 겉으로 진단하기 어려울뿐더러, 증상이 나타난 후에 치료할 경우 말기 환자인 경우가 많아 매우 위험할 때도 많습니다. 이런 암과 같은 질병을 나노 바이오센서를 이용해 적은 비용으로 빠르게 진단할 수 있다면 훨씬 더 효과적으로 암을 찾아내 치료할 수 있을지도 모릅니다. 오늘은 나노 바이오센서의 기본이 되는 원리와 나노 바이오센서의 종류, 현재 연구 동향 및 향후 발전 가능성에 대해서 알아보겠습니다.

바이오센서의 정의 및 원리를 알아볼까요?

http://www.flickr.com/photos/blue-kitten/1406219712/ @bluekitten


바이오센서유전자, 암세포, 환경호르몬 등 특정 물질의 존재 여부를 확인하거나 감지할 수 있는 기계입니다. 바이오센서는 특정 물질과 선택적으로 반응하거나 결합할 수 있는 생체감지물질(bioreceptor)과 칩에서 일어난 반응을 우리가 볼 수 있는 신호로 전환하는 신호변환기(signal transducers)로 구성되어 있습니다.
컴퓨터로 비유하자면, 생체감지물질은 키보드를 누르는 우리의 손이고, 신호변환기는 모니터라고 할 수 있습니다. 키보드를 우리가 누름으로써 신호가 입력되고 컴퓨터가 그 신호를 계산하여 우리가 볼 수 있도록 모니터로 전환을 해주는 것이지요. 마찬가지로 생체감지물질이 칩에 결합되면, 그것이 우리가 알아볼 수 있는 신호로 변환되어 질병을 진단할 수 있는 것입니다. 생체감지물질에는 효소, 항체, 세포, DNA 등이 있으며, 신호를 변환할 때는 전기화학적 반응, 형광물질, SPR, FET, 열센서 등 다양한 물리화학적 방법을 사용합니다.

나노바이오센서란 무엇이고, 그 장점은 무엇인가요?

쉽게 말해 바이오센서를 나노 스케일, 즉 머리카락 굵기의 1만분의 일의 스케일로 소형화 시킨 것이 바로 ‘나노’ 바이오센서입니다. 나노 바이오센서는 나노기술(NT), 생명공학기술(BT), 정보기술(IT)이 결합되어 있으며, 질병을 정확하고 빠르게 진단할 수 있습니다. 뿐만 아니라, 반도체칩으로 과정을 소형화하였기 때문에 공정비용을 절감할 수 있고, 휴대용 기기에도 장착이 가능해졌습니다. 최근 나노 바이오센서는 환자의 상태를 실시간으로 진단하는 유비쿼터스 의료시스템의 중추적인 기술로 급부상하고 있습니다.

http://www.flickr.com/photos/argonne/4728736844/ @Argonne National Laboratory

나노 바이오센서의 원리인 ‘Lab on a chip’은 무엇인가요?

우리는 나노 바이오센서가 바이오센서를 조금 더 ‘소형화’시켰다는 사실에 주목해야합니다. 나노 바이오센서의 기본적인 아이디어 중 하나는 ‘칩 위의 실험실(Lab on a chip)’로, 손톱만한 칩 하나에 실험실에서 할 수 있는 연구를 대체하도록 만드는 것입니다.

http://www.flickr.com/photos/rdecom/6925521698/ @RDECOM


나노 바이오센서는 여러 가지 과정을 한 칩에서 동시에 일어나도록 해야 하기 때문에, ‘NEMS’ 기술이 필요합니다. NEMS란 ‘나노기전시스템(Nano Electro Mechanical System)’으로, 각종 센서와 회로를 나노미터 수준에서 3차원적으로 결합한 시스템입니다. 이 기술을 이용하면 작은 칩 안에서 여러 가지의 반응이 모두 일어나도록 통합시킬 수 있습니다. 
 
바이오센서는 실제 생활에서 어떻게 응용되고 있나요?

바이오센서는 질병진단, 암 진단 등의 의료분야 뿐만 아니라 발효공업, 식품공업, 농림수산업, 환경보존 등 넓은 분야에서 응용이 기대되고 있습니다. 나노 바이오센서를 이용하면 암세포, 혈당, 임신 호르몬, 콜레스테롤 등의 생체물질을 분석할 수 있습니다. 또한 환경호르몬, 중금속, 농약 등의 환경 관련 물질 검출에도 사용할 수 있습니다. 뿐만 아니라, 생물학적 무기를 감지하거나 특정 화학물질에 대한 분석에도 활용될 수 있다고 합니다.

http://www.flickr.com/photos/argonne/4456798383/ @Argonne National Laboratory


물론 이 중에서 가장 주목받고 있는 것은 ‘의료용 바이오센서’입니다. 대표적으로 혈당센서와 바이오칩센서(lab on a chip, DNA칩, 단백질칩)가 있는데, 이 중에서 혈당센서는 많은 제품이 상용화되어있고 기술이 많이 개발되어있지만, 바이오칩센서는 아직 개발되고 있는 중이라고 합니다. 하지만 최근 들어 바이오칩 센서를 기반으로 하여 암이나 백혈병, 신종플루 등 각종 질병을 진단할 수 있는 기술들이 계속 발표되고 있다고 하니 곧 상용화 소식을 들을 수 있을 것 같습니다.^^

나노 바이오센서의 미래는 어떻게 될까요?

최근 임연호 전북대학교 교수팀은 소량의 혈액만으로도 암을 진단하고, 그 진행 상태, 암을 일으킨 단백질까지 알 수 있는 나노 바이오센서를 개발했습니다. 대학교 연구팀뿐만 아니라 기업에서도 나노 바이오센서의 가능성을 높게 평가하여, 지속적으로 투자하고 있다고 하니, 기대해볼만 하죠?

http://www.flickr.com/photos/tipstimes/7179555448/ @TipsTimes


이제는 의사의 손을 거치지 않고도 나노 바이오센서로 빠르게 질병을 진단해 줄 수 있는 시대가 올지도 모릅니다.

현재 전문가들은 나노 바이오칩의 개발을 통해서 의료 소비의 형태가 ‘치료’에서 ‘예방 및 진단’으로 변화할 것이라고 예측하고 있습니다. 개인이 직접 병원에 찾아가 진단을 받는 것 대신에, 개인 신체의 건강 이상 유무를 실시간으로 파악하고 관리해주는 맞춤형 유비쿼터스 진료가 실현될 수 있습니다. 또한 바이오센서가 발전한다면 향후 원격 의료 및 재택 진료가 가능하게 될 것이라고 하니, 그 미래를 기대해봅니다.

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