1.관련 분야
바이오센서와 관련해 주목해야 할 기술 분야는 분자전자·고정기술·박막·단(單)클론항체·단백질공학·센서의 소형화 및 기능 통합, 동식물 세포조직의 사용, 곤충 안테나의 사용 및 일본 바이오센서산업 동향 등이다.
◇분자전자=이 분야에 대한 연구는 아직 기초 단계지만 이에 대한 과학기술 분야의 관심이 높아지고 있다. 연구의 목표는 컴퓨터를 포괄하는 단백질이나 전자 소자의 기능을 갖는 분자를 개발하는 것이다. 이 경우 바이오센서가 우선적으로 분자컴퓨터로 발전할 가능성이 있다. 이 기술에 대해서는 아직 매우 회의적이지만 연구는 계속 되고 있다. 바이오센서 개발자는 이 분야 연구 결과를 더 우수한 제품을 만드는 데 활용할 수 있을 것이다.
반대로 바이오센서 개발자는 그들의 개발 결과를 분자전자 연구에 활용할 수도 있을 것이다. 가령 효소나 항체를 입힌 바이오센서는 화학적 반응을 전기적 신호로 변환하는 기능을 갖고 있는데 연구원은 광신호를 생성하기 위해 광화학 반응을 사용하는 컴퓨터 칩을 개발 중이다.
◇고정기술=바이오센서를 상용화하는 데 극복하기 어려운 하나의 난제는 신호변환기에 인접한 생체분자를 고정시키는 일이다. 연구원은 분자를 고정시키기 위해 공유(共有) 첨부, 물리적 흡수, 물리적 함정이나 캡슐에 집어넣기 등 여러 가지 방법을 시도했다. 그러나 이런 방법에는 각기 문제가 있다. 가령 현재 가장 많이 사용하고 있는 효소를 폴리머 겔로 가두는 방법을 사용하면 효소의 활동이 계속 떨어지는 결과가 나타난다. 분자와 같은 생체 구성요소를 효과적으로 고정시킬 수 있는 화학작용에 대한 연구가 더 진전되면 바이오센서의 성능이 상당히 향상될 뿐 아니라 안정되고 생산이 용이해질 것이다. 이 분야에서는 바바원자력연구센터(Bhabha Atomic Research Center)와 폴리머및섬유연구소(Research Institute for Polymers and Textiles) 등을 포함한 몇 개 연구기관이 포도당 산소 효소를 고정시키는 새로운 모체(matrix)를 사용한 바이오센서와 바이오센서에 적용할 수 있는 새로운 효소 고정기술 등을 개발했다.
◇박막=앞으로 몇 년 안에 박막(membrane)을 합성하는 기술이 크게 진전될 것으로 보인다. 이런 박막은 생체분자를 고정시키는 모체로 사용하기에 적합할 것이다. 미래에 개발되는 박막은 생물 또는 산업 액체나 가스의 부식효과에 저항하는 특성을 가져야 할 것이다. 또 박막은 접착력이 강해야 한다. 이 분야에 대한 연구가 활발히 이뤄지고 있다. 그중에서도 산요전기가 랭뮤어 블로젯(LB:Langmuir Blodgett) 기술을 이용해 매우 우수한 미생물 단백질 세균 적색색소(bacteriorhodopsin) 필름을 개발했고, 린테크사(Lynntech Inc.)와 텍사스 A&M대학이 공동으로 세포 속 박막 표면에 백금을 도금하는 기술을 개발했다. 또 로렌스버클리연구소(Lawrence Berkeley Laboratory)는 분자의 자체 결합에 의한 생체 전자 필름을 개발하고 있다.
◇단(單)클론항체=단클론항체는 특정 목표물을 인식하고 거기에 달라붙는 단백질이다. 이런 특성을 바이오센서에 적용하면 병균을 탐지하거나 감시하는 데 매우 유리하다. 현재 제넥스사(Genex Corp.)가 단일체인 항체를 개발 중인데 이것이 완료되면 항체 기반 바이오센서의 상용화가 급진전될 것으로 보인다. 또 인티그레이티드케미컬센서스(Integrated Chemical Sensors Corp.)는 미 육군의 의뢰를 받아 마이크로 중력에 의한 면역측정기술을 이용한 항체 기반 바이오센서를 개발하고 있다. 이 프로젝트에서 연구원은 특별히 절단한 수정의 표면에 단클론항체를 부착한다.
이밖에 뉴올리언스대학 등에서도 항체 기반의 센서를 개발 중이다.
◇단백질공학=단백질공학은 효소나 항체와 같은 단백질의 구조를 수정하거나 세포를 유전학적으로 변경하거나 또는 화학적 합성을 통해 새로운 단백질을 생성하는 기술로서 작용이 변경되거나 향상된 새로운 형태의 단백질이나 단백질과 유사한 화학물질을 만들어낸다. 현재 몇 가지 효소는 이미 수정된 상태다. 수정된 효소를 바이오센서에 채용하면 저장 및 운용 시 안정성을 높일 수 있고, 선별력을 높이며, 간섭요소로부터 영향을 적게 받을 수 있다. 이처럼 단백질 공학은 바이오센서의 성능에 영향을 주는 온도·pH 및 다른 변수의 효과를 줄일 수 있다.
현재로서는 기술적인 어려움 때문에 단백질공학을 바이오센서에 적용하지 못하고 있다. 그렇지만 몇 개 업체와 대학에서 이 분야 기술을 개발 중이다. 이 분야 기술을 활용하려면 단백질에 관한 구체적인 정보가 있어야 하는데 현재 그런 정보가 없거나 있더라도 불완전한 것뿐이다. 장기적으로 유전공학·엑스선 결정학(結晶學)·컴퓨터공학 등 단백질공학에 긴요한 세 가지 기술이 발전하면 더 안정되고 신뢰도가 높은 차세대 바이오센서가 개발될 수 있을 것이다. ◇센서의 소형화 및 기능통합=센서를 소형화하고 여러 가지 기능을 통합하는 기술이 향상되면 성능이 우수한 소형의 다기능 응용제품을 개발할 수 있게 될 것이다. 현재 각종 생물학적 종(種)을 분석할 수 있는 몇 가지 광나노바이오센서가 개발된 상태다. 하지만 많은 바이오센서 응용제품은 한 가지 이상의 변수를 측정해야 한다. 가령 발효 분야의 경우 온도, pH, 용해된 이산화탄소·산소 등과 같은 핵심변수를 측정할 뿐 아니라 포도당·인산염·암모니아·황산염·질산염·나트륨·칼륨·염화물 등과 같은 성장변수도 측정할 수 있어야 한다. 노스캐롤라이나대학 연구진은 심장·신장·근육의 기능을 체내에서 분석하는 데 사용할 수 있는 유연성 있고 견고하면서도 가격이 싼 바이오센서와 다기능센서를 양산하기 위한 방법을 연구 중이다.
또 텍사스대학의 태양에너지연구소는 사람 머리카락 직경의 10분의 1 크기로 인체에 이식할 수 있는 바이오센서를 개발하고 있다. 이들은 여기에 오스뮴이 함유된 분자와 연결된 폴리가 내포된 폴리머 가닥을 사용하고 있다.
◇동식물 세포조직의 사용=연구결과 동식물의 조직이 가장 효율적인 센서라는 것이 드러났다. 코벤트리대학(University of Coventry)의 연구진은 노랑가오리의 발전기관에서 추출한 유기물질을 사용해 극히 민감한 바이오센서를 만드는 새로운 방법을 개발했다. 이 대학 연구진은 이 최초의 노랑가오리 바이오센서를 식품산업과 의약실험부문에서 응용할 수 있을 것으로 보고 있다.
식물의 잎·뿌리·꽃 등과 같은 성장부분이나 씨·과일·특정 채소와 같은 영양분 저장부분이 특정물질의 유무를 판단하는 데 생체촉매로 사용될 수 있는 것으로 나타났다. 식물의 조직을 이용한 바이오센서를 개발하려면 변수가 많아 매우 복잡하지만 즉시 구할 수 있고, 재료의 가격이 저렴하며, 공동인자 필요조건이 적어 순화된 효소를 기반으로 한 바이오센서로서의 매력을 갖고 있다.
◇곤충 안테나의 사용=절지동물의 후각 및 미각 수체세포가 바이오센서에 응용하기에는 매우 적합한 자연재료가 되는 것으로 나타났다. 현재 연구원은 해충관리에 적용할 수 있는 곤충 안테나 기반의 바이오센서를 개발 중이다. 앞으로 기술개발이 더 진전되면 촉각전위 기능과 단일촉각 기록의 장점만을 결합할 수 있을 것이다.
◇일본 바이오센서산업 동향=일본이 바이오센서의 상용화를 주도할 가능성이 높다. 일본에서는 정부 연구기관과 대학뿐 아니라 30개 이상의 업체가 이 분야 기술의 개발을 추진하고 있다. 대기업과 연구기관이 서로 협력해 바이오센서, 특히 의약 및 산업용 바이오센서를 집중적으로 개발하고 있다. 다른 나라 업체들보다 바이오센서 개발에 더 적극적인 일본 기업체들은 실리콘칩을 사용한 초소형제품의 개발에 주력하고 있다.
그중에서도 국립신체부자유자재활센터연구소는 가정에서 사용할 수 있는 혈액포도당 측정용 바이오센서 시제품을 개발했다. 또 토요보사(Toyobo Ltd.)는 포도당 및 유산염 바이오센서 시스템을 출시했다.
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