유전자 변형 기술, 해양생명공학, 그리고 바이오나노기술을 포함한 현대 생명공학의 다양한 연구 분야와 기술적 발전 및 응용 doc_id PCY_201504220915095011_19

분자생물학과 생명공학기술의 발달은 환경을 파괴하지 않고 지속가능한 성장을 위한 요구에 발맞춰 비용절감과 환경 친화적인 기술로서 유전자변형식물의 개발이 진행되고 있다. 이는 전통적인 식물육종을 대신할 빠르고 목표화된 방법으로 적용 식물의 다양성에 충족하기 위한 다양한 종류의 유전자 형질과 특성에 관한 연구개발이 진행 중이다. 유전자변형식물의 개발에 고려되는 전략들은 첫째, 식물추출(phytoextraction)이다. 이는 토양으로부터 금속오염물질을 제거하기 위해 식물의 지상부에 금속을 축적 할 수 있는 식물을 선택한다. 둘째, 근권여과(rhizofiltration)이다. 이는 식물이 수중환경에 있을 때 사용되어 지는 방법으로 식물추출과 유사한 방법이다. 셋째, 식물안정화(phytostabilisation)이다. 이는 금속오염물질의 식물체내 이용율을 감소시키기 위함이나 또는 독성이 약한 형태로 바꾸기 위해 식물을 사용하는 방법이다. 이 방법은 오염된 지역에서 바람에 의한 침식과 침출로 인해 오염물질이 분산되는 것을 막는 방안으로 활용되고 있다. 해양생명공학은 생명공학의 원료나 대상으로 해양생물 및 유전자원을 이용하는 분야이며 전통적인 수산 양식분야에서도 첨단 해양생명공학 기법이 활용된 분자 육종, 분자 진단, 백신 등으로 적용범위가 확대되고 있다. 최근까지 탐사 장비와 연구 방법론 등의 미비로 해양생물자원에 대한 접근 및 이해가 부족하여 다른 생명공학 분야에 비해 발전 속도가 늦었다. 그러나 해양생물자원이 식량, 에너지, 환경, 인류 보건의 문제를 해결할 수 있는 중요한 자원으로 부각되고 해양탐사기술과 차세대 염기서열 분석기술(Next Generation Sequencing, NGS)의 발전, 그리고 해양생물 센서스(Census of Marine Life, COML)같은 국제 대형 프로젝트의 결과로 해양생물의 다양성에 대한 이해의 폭이 넓혀지고 이를 근거로 아직 91% 생물종에 대해서는 알려지지 않은 것으로 예측되면서 해양생명공학분야의 높은 발전 가능성을 기대하게 한다. 21세기 중반에 인류의 동물단백질 예상 소비량은 현재의 2배정도로 예상되며 주요 공급원으로 양식과 양계가 가장 큰 성장을 할 것으로 추정 된다. 현재는 양식이 전체 어획량(food fish)의 50% 정도를 차지하고 있다. 해양생물공학은 새로운 백신(ApexⓇ-IHN) 개발과 분자 기반 진단 기술을 통해 생산성 증가, 항생제 사용감소, 어류 보호(fish welfare)에 기여하였다. 아직 안정성에 대한 논란이 있지만 유전자 재조합기술을 이용한 품종개량은 진행 중이며 아쿠아바운티 테크놀로지(AquaBounty Technologies)가 개발한 유전자조작 연어는 곧 미국 식품의약국(FDA, Food and Drug Administration)의 승인을 받을 것으로 예상되어 유전자조작 어류의 양식이 가속화될 것으로 예상된다. 바이오나노기술은 인간의 질병과 생명현상을 연구하고 그와 관련된 제품을 생산하는 바이오기술과 원자나 분자 단위에서 물성을 규명하고 조작하여 새로운 재료 및 소자를 개발하는 나노기술이 결합된 융합기술이다. 살아있는 모든 생명체 내부에서 발생하는 모든 대사 현상들은 나노 스케일(Nanoscale)의 생물학적 요소들에 의해 일어나는 현상들이기 때문에 나노기술을 이용하여 효율적으로 생물학적 요소들을 다룰 수가 있다. 이런 기술을 바탕으로 최근에는 질병에 직접적인 영향을 주는 DNA와 단백질 등의 생체분자에 대한 연구가 활발하다. 바이오나노기술의 대표적인 기술로는 나노바이오칩/센서기술와 나노생체소재기술이 있다. 나노바이오칩/센서는 매우 작은 소자를 제조하여 그 위에 수많은 생체분자들의 상호작용을 관찰할 수 있다. 또한 고감도를 가지고 있어서 소량의 분자들도 측정할 수 있는 장점이 있다. 바이오칩 기술을 구현하는데 반드시 필요한 기술이 원하는 샘플을 배열하는 기술인 어레이 기술이다. 최근에 칩기반 기술이 발달하여 기존의 마이크로 어레이(microarray)를 대체하는 기술이 많이 개발되어 왔다. 나노 어레이 기술을 통해 기존의 마이크로어레이의 한계를 넘어 훨씬 많은 생체분자들을 같은 크기의 칩 위에서 동시에 분석할 수 있다. 또한 더 작은 면적에서 반응이 일어나므로 필요한 시료의 양도 획기적으로 줄일 수 있다. 또한 나노 기술을 통해 다양한 모양을 갖는 패턴들을 나노 크기의 면적과 간격을 갖는 나노 어레이를 통해 다양한 광학적 특성을 분석함으로써 바이오칩의 감도를 조절하기도 한다. 바이오칩은 생명공학, 유기화학, 표면화학, 재료공학, 전자공학, 나노기술 등 다양한 분야의 융합이 필요한 분야인데, 바이오칩 표면에 생체분자의 고정화 방법은 생체분자들의 상호작용 효율을 높이는데 매우 중요하기 때문에 지속적으로 연구개발이 진행되고 있다. 바이오칩과 더불어 발전하고 있는 분야가 나노바이오센서 분야이다. 바이오센서란 특정한 물질에 대한 인식기능을 갖는 생물학적 수용체가 전기 또는 광학적 변환기와 결합되어 생물학적 상호작용 및 인식반응을 전기적 또는 광학적 신호로 변환함으로써 분석하고자 하는 극미량의 생화학 물질을 선택적으로 감지할 수 있는 소자를 말한다. 나노기술을 통해 다양한 나노구조체 제작이 가능해지면서 고감도의 성능을 갖는 나노바이오센서의 개발이 가능해졌다. 그 대표적인 예가 나노와이어, 탄소나노튜브, 캔틸레버, 나노갭 등의 나노구조체를 사용하는 센서이다. 이들을 이용한 생체분자 검출 방법으로는 전기화학적 특성 변화를 측정하거나, 기계적 구조, 광학적 특성(형광, 발색, SPR), 전하(Field Effect Transistor (FET)), 질량(Quartz Crystal Microbalance) 등의 변화를 측정하는 다양한 물리화학적 방법들이 있다. 나노구조체를 이용한 나노바이오센서의 대표적인 예가 반도체 특성을 갖는 실리콘 나노와이어(silicon nanowire)이다. 수 나노미터의 직경을 갖는 나노와이어를 bottom-up 방식으로 합성하여 표면에 붙은 단백질의 표면전하의 변화를 측정하는 방법으로, 전립선암 표지 물질인 PSA(prostate specific antigen)를 90 fg/ml의 농도까지 측정한 바 있다. Bottom-up 방식으로 제작한 나노와이어, 나노튜브 등은 균일한 크기를 갖고 고감도의 특성 등의 장점을 갖고 있다. 하지만 그 크기가 매우 작기 때문에 다루기가 어렵고 이것들을 이용하여 소자화 시키는데 어려움이 있다. 이런 단점을 보완하기 위해 미국의 예일대학교에서 silicon-on-insulator에의 구조를 이용하여 CMOS(complementary metal oxide semiconductor) compatible 실리콘 나노와이어를 개발하였다. 이것은 기존의 반도체 공정과 접목하여 제조할 수 있기 때문에 대량으로 생산할 수 있고, 소자화도 가능하다는 장점이 있다. 또한 기존의 나노와이어와 비슷한 고감도 특성을 나타낸다.