나노기술의 발전이 가져온 바이오센서, 나노생체소재, 약물 전달, 테라그노시스 및 진단 기술의 혁신과 그에 따른 독성 및 데이터 관리의 중요성 doc_id PCY_201504220915095011_20

최근에는 그래핀의 높은 전도성, 열 안정성, 넓은 표면적 특성을 이용한 그래핀 FET 바이오센서도 연구되고 있다. 그래핀은 전기화학적으로 noise가 상당히 낮은 소재로서, 흡착된 분자들에 의해 변하는 저항을 고감도로 측정할 수가 있다. 화학센서로서 뿐만 아니라 화학적 방법으로 수식화된 그래핀은 대면적, 고감도 전기적 특성, 표면 기능화를 통해 세포 및 생체분자 측정 등 바이오 물질 분석을 위한 FET 기반 바이오센서에도 응용가능하다. Lain-Jong Li그룹에서는 그래핀 필름을 solution-gated transistor로 사용하여 단일염기 다형성 측정을 수행하였다. 이런 트랜지스터를 통해 다양한 농도 수준의 상보적인 혹은 단일 염기 돌연변이 DNA를 측정할 수 있었다. 또한, Junhong Chen 그룹에서는 열 환원 방법으로 제작된 그래핀 시트에 항체가 결합되어 있는 금 나노입자로 혼성화를 이루어 항원을 고감도 측정할 수 있는 FET 바이오센서를 개발하였다. 나노생체소재기술은 생물학적 기능을 가진 나노레벨의 소재를 개발하는 기술로써 이러한 나노생체소재를 이용하여 생명현상의 규명, 질병진단과 치료, 그리고 기능성 의료용 소재의 개발이 가능하게 되었다. 나노생체소재는 크게 단백질, DNA/RNA, 지질, 다당류로 구성되어 있는 생체유래의 소재와 고분자, 금속나노입자, 카본나노튜브와 풀러렌 등의 탄소 계열의 나노물질 등 비생체 유래의 소재로 나눌 수 있다. 생체유래 소재 중에는 생물학적 기능 외에도 독특한 구조를 이용해 전기, 전자 분야에도 응용하는 시도가 활발히 진행 중이다. 예를 들어 MIT의 Angela Belcher 박사 연구팀은 바이러스가 증식속도가 빠르고 유전공학적으로 설계가 가능하다는 점에 착안하여 한쪽에는 전도성이 좋은 탄소나노튜브와 결합하고 다른 한쪽은 인산철(α-FePO4)의 성장을 촉진하는 바이러스 유래 팹타이드를 설계하였다. 이 연구팀은 유전공학을 이용하여 바이러스의 아미노산을 조절하는 기술을 개발하여 최근 독성이 적으면서 저렴하면서 강력한 리튬이온전지의 생산을 가능하도록 만들었다는 평가를 받고 있다. 나노생체소재 분야에서 가장 주목받는 분야로 약물 전달용 나노소재 분야를 들 수 있다. 약물 전달용 나노소재는 인체에 사용가능한 폴레라틱 에시드 (poly(lactic acid, PLA)이나 폴리라틱에시드-글라이콜릭 에시드 공중합체 (poly(lactic acid-co-glycolic acid, PLGA)와 같은 폴리에스테르계 고분자와 폴리에틸렌 옥사이드(poly(ethylene oxide), PEO), 친생체고분자, 지질기반의 리포좀성 입자(liposomal particle) 등을 사용한다. 실제로 약물 발견 노력의 결과로 얻어진 약물들은 소수성이 높은 특성을 가지고 있는데 이러한 약물을 가용화 시킴과 동시에 생체 내 안정하게 이동하여 표적부위에 약물을 방출하는 약물전달 시스템의 개발이 활발히 진행되고 있다. 또한, 그래핀을 이용한 약물전달이 새롭게 부각되고 있는데 이는 그래핀의 나노 스케일의 크기, 우수한 표면개질 성능 및 π-π 결합을 통해 다양한 aromatic 구조의 화학물질을 흡착할 수 있는 특성에 기인한다. 최근에는 활발한 나노기술의 발전과 개인맞춤형 의료를 위한 테라그노시스 나노입자 연구가 진행되고 있다. 테라그노시스 나노소재는 하나의 시스템 안에 진단과 치료를 위한 기능이 동시에 포함하기 때문에, 진단, 치료, 치료효과 모니터링을 동시에 가능하게 할 뿐만 아니라, 개별 환자의 암에서 다양한 세포 표현형을 분석한 후, 치료를 함으로써 환자 맞춤형 치료를 가능하게 할 수 있다. 테라그노시스 나노입자는 생체 내에 투입된 약물의 실시간 정보를 제공할 수 있고, 약물의 최적 투여량, 치료효과의 모니터링에 사용될 수 있는 가능성을 가지고 있다. Huh연구팀은 충분한 siRNA를 가지고 생체 내 순환하는 동안 혈청단백질과의 결합을 저해하기 위해 소수성으로 개질된 글라이콜 키토산과 폴리에틸렌이민으로 자가조합 나노입자를 만들었으며 광학영상 관찰을 위해 형광시약을 siRNA에 결합시켜 세포와 동물모델에서 광학영상을 통해 추적하였다. 이들 나노입자는 동물모델에서 암세포 증식이 억제되는 것을 확인하였다. 다기능성의 테라그노시스 나노입자는 환자맞춤형 치료 시대에 중요한 역할을 감당할 수 있고, 이는 암치료방법의 새로운 패러다임으로 자리매김할 수 있을 것이다. 나노바이오칩/센서의 경우, 국내에서도 다양한 나노구조체를 이용하여 고감도 바이오센서를 개발하고 있다. 최근에는 단일칩 상에서 만들어 샘플을 분리하고 측정하는 단계를 한꺼번에 수행할 수 있는 랩온어칩(Lab-On-a-Chip)의 개발이 활발하게 이루어지고 있다. 최근 한국생명공학연구원은 단백질칩을 분석하기 위한 측정시스템으로서 세계에서 가장 작은 mini-SPR 바이오칩 분석시스템을 개발하였다. 이 초소형 바이오칩 분석시스템은 손바닥 만한 크기로 SPR 이미징을 통해 보다 용이하게 질병 진단, 생체간 상호작용을 이용한 신약 개발 연구, 그리고 농수산물의 잔류 농약 검출을 통한 식품안정성 평가 등 폭넓은 분야에서 활용될 것으로 전망된다. 또한, 한국전자통신연구원에서는 8인치 CMOS 공정 기술을 통해 33개의 채널을 갖는 나노선 FET 바이오센서를 개발하였다. 또한, KAIST에서는 일반적인 반도체 트랜지스터 구조에 나노미터 크기의 나노갭을 형성하고 그 사이에 측정 대상물의 생체분자를 고정시킨 후 내부의 유전율 변화에 의해 소스에서부터 드레인으로 전류의 흐름 변화를 측정하여 생체 분자를 검출하는 방식의 CMOS기반 바이오센서를 개발하였다. 최근 나노 기술의 급격한 발전은 산업 및 바이오 의약 등 다양한 분야에 새로운 활용가능성을 제시하고 있다. 나노 물질을 이용한 나노 소비재의 증가와 함께 환경으로의 나노 물질 노출 가능성이 제기되고 있으며, 최근 나노물질의 인체 및 환경 영향이 주요 현안으로 떠오르고 있다. 나노입자의 체내 침착현상은 입자 크기가 작을수록 증가하고, 흡입된 불용성 나노입자의 독성은 크기, 물리화학적 특성과 구조, 노출 및 독성학적 특성 등에 대한 폭넓은 연구와 관련 정보의 확보가 필요하다. 호흡기와 경구 및 피부를 통해 흡수되며, 실험동물을 이용한 나노물질의 독성연구 및 유해성 평가는 전신흡입과 호흡기흡입 등의 방법을 이용한다. 나노입자는 신체조직에 쉽게 흡수되고 표적장기에 축적되며, 세포와 세포내 기관 및 단백질에도 생물학적 영향을 끼치게 되며 나노물질의 크기와 주요 독성기전은 반응성산소종의 생성과 산화적 스트레스로 추정한다. 유전체 분석 비용은 2016년 1천 달러 수준으로 떨어질 것으로 예측하고 있어 연구 접근방식이나 데이터 저장, 분석 그리고 서비스 등 전 분야에 커다란 변화가 예상된다(출처: Strategic Analysis of the U.S. Next-Generation Sequencing Services Market, Frost & Sullivan, 2011). 두 번째는 신기술을 활용한 데이터 양의 급격한 증가다. 이는 비용의 감소와 요구의 증가가 맞물린 결과라고 할 수 있는데 생명과학분야의 빅데이터라고 표현할 수 있다. 실제 BT-ICT 융합분야에서 데이터의 구축, 관리 그리고 활용적인 측면에서 다루는 내용이나 연구분야, 특히 IT-infrastructure 그리고 방법론은 매우 유사하다고 할 수 있다.