나노-바이오 센서 인체내 삽입, 질병도 진단한다

대장균 나노-바이오 센서 작동원리. 대장균 등이 분자인식물질에 결합하면 아래쪽 탄소나노튜브(회색부분)의 전기적 특성이 변화돼 이를 감지하게 된다.

화학연 융합바이오기술연구센터가 개발한 나노-바이오 센서의 연구용 시제품. 센서의 칩 부분에 12개 안팎의 소자가 집적돼 있으며 소자별 감지가 가능해 미생물의 양 측정도 가능하다.

먹는 물이나 대형 급식시설의 식품 속에 있는 대장균의 양이 안전한 수준인지 알아내려면 물이나 식품의 시료를 채취, 실험실로 가져와 확인한다. 정확한 확인을 하려면 균을 배양해야 하기 때문에 약 24시간이 지난 뒤에야 결과를 알 수 있다. 그러나 대장균을 감지하는 나노-바이오 센서를 이용하면 현장에서 20분 안에 대장균 양에 따른 적합 여부를 확인하는 것이 가능하다. 이러한 나노-바이오 센서의 크기를 줄이고 생체 적합성을 확보하면 생체 안에 삽입, 혈당을 재거나 암 진단 등에 활용할 수 있다. 몸 속에 센서를 넣고 생활하다가 특정 질병이 발생하거나 질환에 감염되면 외부 진단장치에 이 사실이 무선통신으로 전달되도록 하는 것이 가능하다. 한국화학연구원 융합바이오기술연구센터(센터장 장현주)는 최근 대장균을 찾아내는 나노-바이오 센서를 개발, 민간기업에 기술이전을 통한 상용화를 추진하고 있다. ◇대장균 등 양 측정도 가능 나노-바이오 센서란 나노기술을 이용한 바이오 센서를 말하며 기존의 바이오 센서보다 감도가 우수하다. 현재 상용화된 바이오 센서는 특정 단백질이나 미생물에 반응하는 형광물질을 이용, 변화되는 색깔을 감지해내는 방식이다. 따라서 대장균을 감지하는 바이오 센서의 경우 대장균의 유무를 파악하는 것은 가능하지만 그 양을 알아내는 것은 어렵다. 반면 나노기술을 이용한 나노-바이오 센서는 나노 소재를 이용함으로써 반응하는 표면적을 확대해 감지되는 감도를 높일 수 있다. 현재 나노-바이오 센서에 사용되는 나노 소재로는 탄소나노 튜브와 실리콘을 이용한 나노 와이어 등이 대표적이다. 나노 와이어를 이용하는 경우 각 소자별로 균일한 성능을 확보할 수 있지만 탄소나노 튜브를 이용하는 경우보다 감지 감도가 낮다. 탄소나노 튜브를 이용한 나노-바이오 센서는 전기적 변화의 입출력을 위한 회로기판 위에 바이오 센서 칩을 부착한다. 칩 표면은 탄소나노 튜브로 구성되며 튜브 위에 분자인식물질을 부착해 특정 미생물 등을 감지해낸다. 분자인식물질과 특정 미생물이 결합하면 탄소나노 튜브의 전기적 특성이 달라지고 달라진 수치를 개인휴대단말기(PDA)나 컴퓨터로 읽어냄으로써 어느 정도의 미생물이 분포하는지 알 수 있다. ◇'대장균 센서' 오는 2011년 상용화 나노-바이오 센서 기술은 탄소나노 튜브 트랜지스터와 합성DNA인 '(Aptamer)'. 탄소나노 튜브 트랜지스터는 짧은 시간에 보다 우수한 감지가 이뤄지도록 사용된 나노 소재. 분자인식물질로는 압타머를 사용했다. 압타머의 종류에 따라 다양한 물질을 감지할 수 있는 나노-바이오 센서 플랫폼을 개발한 것이다. 장 박사팀은 대장균 압타머 개발업체의 지원을 받아 대장균을 감지하는 나노-바이오 센서와 센서칩 표면에 압타머를 고정화시키는 기술을 개발했다. 현재 대장균 나노-바이오 센서는 환경부 연구과제로 2011년께 상용화될 예정이다. 단말기에 바이오 센서칩을 장착하고 먹는 물이나 식품의 시료를 접촉시키면 최소 1개의 대장균도 검출할 수 있는 수준이다. 단말기를 제외한 대장균용 나노-바이오 센서는 개당 1,000원 안팎에 공급이 가능할 것으로 전망된다. 개발 담당자인 이정오 박사는 "대장균 등과 같은 미생물뿐만 아니라 조류독감 같은 바이러스 감지, 암 진단 마커, DNA 분석 등과 같은 1단계 연구영역을 확대해나가고 2단계 연구로는 세포를 분석해 변화되는 수치를 알아내는 연구로 발전시켜나갈 것"이라고 말했다. 특정 약물을 주입한 뒤 세포 안의 칼슘이온 수치와 세포막의 변화 등을 나노-바이오 센서로 알아내는 기술로 신약 개발에 큰 도움을 줄 것으로 기대된다. ◇진단용ㆍ군사용 등 응용영역 다양 나노-바이오 센서의 응용영역은 매우 넓다. 분자인식물질로 무엇을 사용하느냐에 따라 감지할 수 있는 미생물이나 DNA의 종류가 확대된다. 하나의 나노-바이오 센서 위에 각각 다른 물질을 감지하는 소자를 밀집시키면 한꺼번에 여러 종류의 물질을 감지하는 다중 나노-바이오 센서 개발도 가능하다. 알악형 체내 내시경에 나노-바이오 센서를 부착해 내시경 진단과 동시에 특정질환을 진단하는 것도 가능하다. 위염ㆍ위장질환 환자의 몸 속에서 암모니아 가스 농도를 측정하는 것도 가능하다. 군사용 로봇에 장착하면 화학전이나 미생물 공격으로 오염된 지역에서 군사용 로봇이 이를 감지해내는 것도 가능하다.