예방 의학을위한 바이오 마커의 포괄적인 측정을 저렴한 비용으로 수행할 바이오 센서 개발

의료 및 생명공학에 추가, MEMS, 나노기술에 응용 가능

일본 히로시마대학 나노디바이스 바이오 융합과학 연구소, 분자생명정보과학 연구부문의 연구그룹은 NEDO 산업기술연구조성사업의 일환으로 실리콘 결합 단백질 [Si-Tag]을 접착분자로 이용함으로써 생체분자와 실리콘 디바이스를 융합한 바이오센서[주1] 개발에 성공했다고 밝혔다.

생체분자가 가진 특이적 물질인식기구 및 촉매기능과 미세가공 집적화가 용이한 실리콘 디바이스를 융합하여 질병 진단에 이용되는 바이오마커[주2]를 저렴하고 신속하게 측정할 수 있게 하는 기술이다. 질병을 미연에 또는 매우 빠른 시기에 발견하기 위한 일상적 진단기술로서 기대된다. 또한 바이오 테크놀로지와 반도체 디바이스를 융합하는 기술로서 나노테크놀로지나 재료분야에서의 이용도 기대된다.

1. 배경 및 연구 개요

의료비의 증대가 더욱 늘어가고 있는 가운데, 질병을 미연에 또는 매우 초기단계에서 발견하여 진단하는 예방의료의 중요성이 더욱 높아지고 있다. 질병의 진단지표인 바이오마커를 일상적으로 측정할 수 있다면 질병의 전조를 포착할 수 있을 것이다.

가령, 혈당치는 생활습관병의 지표로서 대표적인 바이오마커이며, 효소와 전극을 이용한 혈당치 센서가 실용화되어 일상적인 측정이 이루어지고 있다. 그러나 사람의 몸에는 혈당치 이외에도 다양한 바이오마커가 존재하며, 그 대부분은 간단한 측정법이 확립되어 있지 않다. 항체를 이용한 ELISA(효소결합 면역흡착검정법) 등의 면역측정법으로 개별적 측정을 하는 것은 가능하지만 다양한 바이오마커를 모두 망라하는 측정에는 막대한 비용과 시간이 필요하다.


이번에 연구팀은 실리콘링 광공진기 상에 항체 등의 각종 단백질을 고정화시킴으로써 공진기 표면의 굴절율 변화에 기반한 물질 검출이 가능하다는 점에 주목하여 실리콘 칩 상에 집적이 가능한 바이오센서 기술 개발에 성공하였다.

이 기술은 연구팀이 독자적으로 발견한 실리콘 결합 단백질 [Si-Tag]를 접착분자로서 이용하여 매우 섬세한 생체분자를 신속하면서도 안정적으로 실리콘 디바이스 위에 고정시킬 수 있다.

종래의 공유결합법에서 단백질을 고정화시키기 위해서는 기판표면의 번잡한 화학처리가 필요했지만 이번 기술에서는 목적으로 하는 단백질을 미리 유전자공학적으로 실리콘 결합 단백질과 결합시켜 놓으면 이 용액을 실리콘 기판 위에 접착시키는 것만으로 해당 단백질이 빠르게 기판 표면에 흡착된다. 이 때문에 단백질 고정화에 걸리는 시간은 5분 미만이며, 종래의 공유결합법과 비교하면 몇 분의 일 수준까지 단축할 수 있어 단백질과 실리콘 디바이스의 결합을 쉽게 수행할 수 있다.


이 생체분자와 반도체 디바이스를 융합한 바이오센서는 종래의 면역측정법의 장점을 살리면서 반도체 가공기술에 의한 초미세 가공성과 디바이스 집적도를 실현하여 매우 저렴한 비용을 도모할 수 있다.

2. 경쟁 기술에 강점

이번 기술의 장점은 다음과 같다.

(1) 실리콘 결합 단백질을 융합한 단백질을 포함하는 용액을 실리콘 기판 위에 접촉시키는 것만으로 5분 미만의 짧은 시간에 단백질의 고정화가 가능하여 임의의 단백질과 실리콘 디바이스를 간단하게 접목할 수 있다.

(2) 링공진기는 그 크기가 수십 마이크로미터 정도로 작기 때문에 고가의 항체 사용량을 최소한으로 억제할 수 있다. 또한 고정화 단백질을 가역적으로 용해시켜 재고정화함으로써 디바이스의 재생 및 재이용이 가능하기 때문에 저비용화에 기여한다.

(3) 반도체 가공기술을 이용한 칩 상의 집적화가 가능하기 때문에 바이오마커의 망라적 측정에 적합한 기술이다.

3. 향후 전망


향후 연구팀은 이번에 개발한 바이오센서 기술의 실용화를 목표로 고정화 단백질의 안정성 평가와 디바이스의 고감도화, 전용 측정기기(발광부와 수광부)의 개발을 진행해 나갈 계획이다. 또한 집적화한 상태에서의 디바이스의 안정적인 동작 확인과 신뢰성의 확보 등에도 대응해 나갈 예정이다.

따라서, 반도체 가공 온칩 광 배선 및 광학 측정기기의 기술 개발, 제품 개발에 관심이있는 또는 실적이 있는 기업 및 기관 등과 실리콘 결합 단백질을 이용한 바이오 융합 장치 개발에 관한 의견 교환 및 기술 상담,공동 연구를 제안합니다 .

한편, 현재 주력하고 있는 바이오테크놀로지나 의료분야와 함께 MEMS나 나노테크놀로지, 재료분야에서 폭넓게 이용할 수 있는 기술로도 개발해 나갈 예정이다.

본 기술과 전통 기술과의 비교표

자체 개발한 바이오 센서
(이번 기술)

전계 효과 트랜지스터를 이용한 바이오 센서
(경쟁 기술)

면역 측정법
(종래 기술)

단백질의 고정화 시간

◎ 5분 미만
접촉시키는 것만으로 고정

시간
복잡화학수식이 필요

△ 1시간 ~ 하룻밤

측정 시간

◎ 수십 분

◎ 수십 분

시간~ 수

검출 감도

○ ngml 수준
현재 새로운고감도화를 추진하고

◎ pgml 수준
그러나 용액의 조성에 제한이 있음

◎ pgml 수준

품목 동시 측정

◎ 칩집적화가능

◎ 칩집적화가능

비용화

◎ 미세화ㆍ집적화비용

절감
디바이스 재사용 가능

○ 미세화ㆍ집적화비용 절감
고정화된 단백질비활성화 시, 재사용 불가

△ 항체 사용량
효소표지형광표식 필요

종합 평가

개별 측정에는 적합하지만, 포괄적인 측정에는 적합


이번에 개발한 바이오센서의 개념도

(왼쪽 그림) 실리콘 결합 단백질을 개재하여 링광공진기 상에 항체와 효소를 고정화 시킨다.

실리콘 기판 표면의 산화막에 직접 결합시킬 수 있기 때문에 기판표면의 화학처리가 불필요하며 신속한 고정화가 가능하다.

(오른쪽 그림) 검체중의 표적분자의 유무를 광공진기의 공진파장의 변화로 검출한다.

[주1] 바이오센서: 생물이나 생체물질과 관련된 기술을 사용하는 센서의 총칭이다. 효소나 항체 등이 특정 물질과만 반응하는 점을 이용하여 대상물질의 검출을 수행한다.

[주2] 바이오마커: 질병의 상태나 변화를 반영하여 농도가 변화하는 생체 유래물질이다. 질병의 진단이나 치료효과의 평가에 이용된다.


URL : http://www.hiroshima-u.ac.jp/top/koho/news_info/p_7yhzut.html


<출처> NDSL, 2010-03-10

Posted by TopARA
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