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마크로젠에서 만든다는 바이오칩에 대해 소개한 글입니다. 과연 바이오칩이 무엇인지에 대해 궁금하신 분들 참조하세요. 과학동아3월호에 실린 최정우 교수의 글입니다. Ⅳ. 미래의 문을 여는 바이오칩 최정우 (서강대 화학공학과 교수) 1기가비트의 반도체 칩에 쓰인 막은 인간이 만들 수 있는 최대한의 박막인가? 이제 새로운 박막의 가능성은 사라진 것일까. 아니다. 생체분자박막으로 이뤄진 바이오칩들이 미래의 문을 여는 새로운 열쇠로 등장했기 때문이다. 생체의 유전방식이 바이오칩에 도입된다면 결함이나 손상을 입었을 경우 스스로 복구하는 능력을 지닌 터미네이터Ⅱ의 형상기억합금로봇이 가능해 질 것이다. 고도로 발달된 생명체인 인간은 오감(五感)이라는 감각기관을 이용해 외부의 자극을 감지한 후 적절한 반응을 나타낸다. 하지만 이러한 반응은 거의 자동화 돼 있으므로 반응 시간은 매우 짧다. 수시로 눈을 깜박이는 것, 라디오에서 흘러나오는 노래 소리에 귀를 기울이는 것, 뾰족한 물체에 손을 찔렸을 때 몸을 움츠리는 것, 레몬을 보면 침이 고이는 것 등이 그 예다. 이러한 감각은 세포막을 통해 신경계에 전달되고, 뇌에 연결되면서 과거 뇌에 기억된 정보를 이용해 인식된다. 만약 감각을 감지해낼 수 있는 바이오 센서를 만들 수 있다면 이러한 센서들을 조합해 감각기관이 있는 아톰이나 에반게리온과 같은 로봇과 인조인간이 가능해지는 것이 아닐까. 현재의 센서 제작 기술로 당장 인조인간을 만들 수는 없을지라도 이미 바이오 센서는 우리의 생활에 광범위하게 자리잡고 있다. 그렇다면 바이오센서에서 생체의 기본적인 감각반응을 모방해내는 출발점은 무엇일까. 그것은 바로 생명체 자신과 외부사이의 경계면인 생체막이다. 차세대 전자소자 생체막의 기능은 그것을 구성하는 분자의 특징과 배열에 좌우된다. 왜냐하면 여러 가지 기능성 분자(단백질이나 지방산)에 의해 물질과 이온이 수송되고, 신호가 전달되기 때문이다. 따라서 연구자들이 세포막에서 수행되는 기능을 가진 센서를 만들기 위한 첫 작업은 기능성 생체분자들을 2차원적으로 배열하는 것이다. 이와 같이 기능성 생체분자를 인공적으로 배열시킨 것을 '인공 생체분자막' 또는 '생체분자막'이라 한다. 생체분자막의 두께는 구성분자의 크기에 비례한다. 그 범위는 수 나노미터(1mm=10억분의 1m)밖에 되지 않기 때문에 흔히 생체분자박막이라고도 한다. 하지만 기능성분자를 2차원적으로 배열시킨다고 해서 생체막의 기능을 모두 수행할 수 있는 것은 아니다. 기능성을 갖는 특정 분자에 방향성을 부여해 2차원적 배열로 구성된 생체분자박막을 제작하기 위한 방법으로는 랭뮤어-블라젯기법(흔히 LB기법이라고 함)과 자기조립법(Self-Assembly technique)이 많이 사용된다. LB 기법이나 자기조립법에 의해 형성된 생체분자박막은 분자의 기능성과 배열이 반도체 칩 또는 무기물 기판 같은 생물체 외부에서 유지될 수 있다. 따라서 생체분자막이 형성된 반도체칩 등의 무기물 기판은 신호를 감지하고, 저장하며 전달하는 기능을 지닌 센서나 전자소자로서의 응용이 가능하다. 이러한 생체분자막을 이용해 제작된 센서가 바이오센서(Biosensor)고, 전자소자로 구성될 때에는 바이오칩(Biochip)라고 한다. 이러한 바이오센서와 바이오칩은 현재 의료와 식품 그리고 환경산업에서 다양하게 응용되고 있으며, 미래에는 차세대 전자소자와 부품으로 사용될 것이다. "전자코"도 가능 바이오센서는 1962년 미국의 클라크 박사에 의해 처음 시도됐다. 그는 혈액 속의 포도당을 관측하기 위해 분자를 식별하는 능력을 갖는 효소와 산소 전극을 결합하면 포도당의 농도를 알 수 있을 것이라고 생각했다. 혈액내 포도당 농도의 측정은 당뇨병환자에게 대단히 중요한 것이었다. 효소는 기질이라 불리는 특정 분자와 반응하기 때문에 여러 분자가 섞여 있어도 방해받지 않고 선택적으로 반응 할 수 있다. 이러한 분자인식능력을 이용하면 복잡한 조성의 혼합물 속에서 특정 물질을 분리해내지 않고도 효소를 사용해 편리하게 분자를 식별해 낼 수 있다. 그러나 대부분의 효소는 수용성이므로 이를 센서의 구성성분으로 이용하기 위해서는 물에 녹지 않는 형태로 제작해야 하므로 효소를 분자막 형태로 만들어야 했다. 1967년 업디크와 히크는 포도당 산화효소를 막 속에 고정시키고, 이를 산소 전극과 결합시켜 포도당 센서를 만들었다. 그 후로 생체분자박막을 제작하는 기술은 바이오센서 개발에 필수적인 요소로 인식됐다. 초기부터 현재까지의 포도당 측정용 바이오센서는 혈액을 채취하여 측정하는 형태였으나, 최근에는 센서를 고분자박막으로 둘러쌓아 동물 내에 삽입해 포도당을 측정하는 센서가 개발되고 있다. 바이오센서는 특정 반응을 수행하는 생체분자막과 반응의 결과를 전달하는 신호 변환기로 구성돼 있다. 바이오센서는 반응결과를 전기적 신호로 변화시키는 신호변환기의 원리에 따라 크게 전기화학적, 광학적, 열적, 그리고 압전바이오센서로 구분된다. 광신호는 자기장과 전기장의 간섭을 받지 않으므로 극미량의 성분 측정이 가능하고 빛의 파장을 바꿔가며 여러 가지 성분을 도시에 측정할 수 있어 최근 가장 많이 사용된다. 현재의 바이오센서의 기술은 면역반응측정, 혈액내의 성분 측정, 생물반응기내의 각종 성분측정, 폐수내의 오염물질 측정에 응용되고 있다. 최근에는 인간의 후각 기능을 모방해 대기내의 오염물질을 측정하는 전자코(electrical nose)센서와 같은 감각센서가 상용화되고 있다. 또한 맛을 측정하는 미각센서와 색채를 구별하는 광수용기능의 시가센서들의 개발이 진행되고 있다. 감각센서에서 측정은 생물분자막에 의해 수행돼 전기신호화 된다. 신호들은 뇌의 정보처리 기능을 모방한 인공신경망(neural network) 알고리즘에 의해 분석된다. 스스로 복귀하는 능력 컴퓨터는 전기적 신호에 의해 상태를 구분하고 지정된 주소에 할당함으로써 정보를 저장한다. 전기적 신호에 의한 상태 구분은 생명체 안에서도 존재한다. 생화학반응에 참여하는 생체분자들은 인접한 분자들과 산화-환원 상태가 다르다. 이것을 구동력으로 생체분자 사이에 전자를 전달하면서 미세한 전류를 일정한 방향으로 흘려 보낸다. 이를 고려해 생체 내에서 전자전달 반응에 관여하는 생체분자(대부분 단백질)를 일정한 방향으로 배열시킴으로써 기능성 생체분자막을 제작한다. 각각의 구성성분을 배열한 후, 전기나 빛으로 자극하면 상태 구분이 가능한 전기적 응답신호를 보낸다. 이것이 컴퓨터의 전자소자와 같은 역할을 수행하는 생물전자소자인 바이오칩이다. 실리콘칩의 기본단위인 집적회로에 해당하는 것이 바이오칩을 구성하는 단백질이다. 세포내의 전자전달계가 지닌 특성을 모방해 서로 다른 산화-환원 상태가 높은 생물분자에서 낮은 생물분자 쪽으로 전자가 이동한다. 이러한 일방적 전자전달 특성은 기존의 실리콘칩의 기본요소인 다이오드의 특성과 일치한다. 이것은 전자의 흐름에 따라 전기적 신호를 구분할 수 있는 스위칭 특성을 제공한다. 빛이나 전기 같은 외부 자극을 이용해 단백질 복합체의 산화-환원 상태를 조절하고, 구분이 가능한 상태(현재의 메모리개념으로 설명하자면 on=1, off=0)를 규정함으로써 정보를 저장하고 전달하는 바이오칩으로 사용할 수 있는 것이다. 분자수준에서 동작하는 바이오칩은 수십에서 수백 Å(옴스트롬, 1Å=1백억 분의 1m)의 크기인 분자공간에서 전자를 제어한다. 이처럼 초미소공간 내에서 전자의 움직임을 조절할 수 있게 된 것은 생물분자막 덕택이다. 그러나 바이오칩을 구성하는 데에는 한계가 있다. 핵심 기술인 전자를 전달하는 단백질로 생체분자막을 구성하기 어려우며, 여러 개의 전자전달 단백질들이 결합돼 하나로 구성되는 단백질 복합체의 생산이 그리 만만하지 않기 때문이다. 만약 생체의 유전방식을 바이오칩의 구성에 필요한 생체박막 형성에 도입한다면, 자체 생성과 증식은 물론이고 결함이나 손상을 입었을 경우 스스로 복구하는 능력을 지닌 진정한 의미의 바이오칩이 탄생할 수 있다. 하지만 이러한 개념의 바이오칩이 만들어지려면 여러 부분의 과학기술이 통합돼야 한다. 유전자조작 기술과 소자설계기술, 그리고 생체분자박막 제조와 분자 배열기술이 그것이다. 과학동아 1999년 3월호