■ 바이오진단기기 연구팀
■ 연구팀장: 한국전자기술연구원(KETI) 이국녕 수석연구원
■ 웹사이트: https://www.keti.re.kr
한국전자기술연구원의 바이오진단기기연구팀은 체외진단 바이오진단기기 연구를 수행하고 있습니다. 타겟 바이오마커를 효과적으로 검출하기 위해서 생화학적 검사나 면역진단 혹은 분자진단으로 여러가지 센싱 기술이 적용되고 있는데, 본 연구팀은 주로 형광측정, 반도체 센서 기반의 비표지방식의 검출, 전기화학 원리나 전기화학발광원리의 검출 등 다양한 진단기기 기술을 연구하고 있습니다. 질병진단검사가 필요한 현장에서 신속하게 타겟 바이오마커 분자를 검출할 수 있도록 체외진단검사의 요구조건에 부합하는 바이오센서나 바이오진단기기 연구를 수행하고 있습니다. 새로운 검출원리나 센서소자의 습관적 차별화 추구보다는 이미 알려진 검출 기술을 검증하고 실용적 쓰임이 생기도록 발전시키는 연구에 더 관심을 두고 있습니다.
1. 면역진단 바이오센서 기술
본 연구팀에서는 전기화학측정원리로 면역진단을 통해 타겟 바이오분자를 검출하는 전기화학 바이오센서를 연구하였습니다. 타겟 항원의 검출은 샌드위치 반응을 이용하며 전기신호측정을 위해 ITO 센싱전극을 사용하고 ALP 효소를 이용합니다. ALP 효소는 2차항체에 라벨링되어 있는 신호물질이며 샌드위치 반응으로 타겟 항원의 농도에 비례합니다. ALP는 기질용액인 AAP를 산화시켜 AA를 생성하게 되는데 ITO 전극은 이를 효과적으로 검출합니다. (Sensors & Actuators B, Chemical, BioChip J.) 면역진단은 불가피하게 여러 불순물이 혼재하는 환경을 센서전극에 노출시켜야 하는데 이때 비특이흡착에 의해 검출신호저하가 초래됩니다. 본 연구팀은 자성입자표면을 이용하여 샌드위치 반응이 완료된 면역반응결과물을 깨끗한 상태를 유지하는 센싱전극표면으로 가져오는 아주 상식적인 방식으로 전기화학면역진단 검출감도가 매우 향상될 수 있음을 증명하였습니다.(BioChip J.)
지난 이십여 년간 ISFET 소자방식으로 타겟 분자를 면역진단으로 검출하는 연구가 science nature지를 장식하고 연구된 바 있지만 여전히 상용화는 요원하고 검출원리도 분명하게 정립되지 못한 상황이었습니다. 본 연구팀은 실리콘 nanoFET 소자를 이용하여 비표지 방식으로 타겟분자를 검출하는 전계효과 바이오센서의 검출원리를 규명하고 증명하였습니다. 타겟분자의 전하가 직접적으로 nanoFET 게이트에 전계효과를 미치는 것이 아니라 용액환경에서는 전극-용액 계면의 커패시턴스 변화로 나노채널의 전도성 변화가 유도된다는 것을 실증한 것입니다. CNT나 그래핀처럼 게이트 절연막이 없는 경우 기준전극을 통해 전류가 흐르면 게이트 전극 역할을 하는 용액으로 누설전류가 생깁니다. 이는 소스-드레인 전류의 변화로 읽히게 되어 가짜신호로 나타날 수 있습니다. FET 기반의 전자코 실험 결과는 대부분이 이러한 가짜신호를 잘못 해석한 것이라고 생각합니다. 모든 유형의 FET 기반의 바이오센서는 정확하게 실험환경을 제어하는 것이 중요하며, 소자가 형성되는 기판전극의 영향이 개입되지않도록 확장게이트 구조여야 하고, 센싱 전극과 용액 계면의 커패시턴스 변화로 타겟분자를 검출하도록 실험 셋업을 해야한다는 것을 처음으로 증명한 것이 의의입니다. (BioChip J. Micro and Nano Sys. Lett.)
본 연구실에서는 바이오센서뿐만 아니라 소자의 신호를 읽기 위한 구동회로와 기기를 구현하는 연구개발도 수행합니다. 고감도 검출만을 추구하는 연구는 고가의 계측기에 의존하는데 여기에 그칠 경우 현장에서 실용성을 갖기 어려울 수 있습니다. 바이오센서 측정 신호는 회로와 기기의 구현으로 현장성이 증명되어야 상용화 단계의 첫발을 떼었다고 볼 수 있습니다. 소재부터 센서 소자 및 회로를 포함한 기기까지 사용자 친화성을 고려하는 시스템과 시작품을 구현하는 연구가 본 연구팀에서 진행됩니다.
2. 진단기기의 형광측정 기술
타겟 바이오분자 검출 기술은 형광측정 원리나 광학식 검출 원리를 주로 사용합니다. 이차항체에 라벨링하는 신호물질을 형광물질이나 광학신호를 야기하는 나노입자나 발광물질을 사용하는 것이지요. 광검출기로는 광증배관(PMT)이나 포토다이오스, 스펙트로미터, 이미지센서 등 매우 다양한 소자가 사용될 수 있습니다. 형광필터나 광원과 더불어 광학계를 구성하고 타겟분자의 검출 원리를 정확하게 이해하여 최적의 광측정모듈로 구현하는 것이 중요합니다. 본 연구팀은 여러 유형의 광검출소자와 광부품 및 광측정 기구의 설계 기술을 보유하고 있으며 광학식 바이오진단기기의 상용화 연구에 경쟁력이 있습니다.
형광소재기반의 바이오진단 기술에 있어서 많은 연구그룹이 검출기술과 관련하여 전반적인 내용을 다루지않기 때문에 한계가 있는 경우가 많습니다. 가령 검출한계(LOD)만을 지나치게 강조하는 그룹은 면역진단에 실제 적용할 때 발생할 수 있는 상황을 전혀 이해하지 못하고 터무니없는 주장을 하는 경우가 있습니다. 통상 자주 언급되지않는 제토나 팸토몰 민감도를 구현할 수 있다고 너무 쉽게 주장하는데 이는 면역진단기기에 대한 경험이 전무하거나 검출 장비에 대한 이해가 전혀 없는 데서 비롯됩니다. 고감도 검출 주장 이면에는 항원-항체 결합의 비특이흡착이 초래하는 근원적 한계 등을 필수적으로 고려해야합니다. 본 연구팀의 융합연구 역량은 상용화로의 진전에 강점이 있습니다.
본 연구팀은 대학 연구현장과는 달리 숙련된 전문가들로 구성된 전문 연구팀입니다. 바이오진단 분야는 다학제간 협업을 요구하는 융합분야입니다. 센싱 소재의 응용, 센서 제작, 광검출기 활용, 광학계설계, 기구설계, 회로 구현, 면역진단이나 분자진단 적용을 통한 성능평가 및 검증 등 다학제 연구 협업이 일상적으로 진행됩니다. 본 연구팀은 다양한 배경지식을 갖고 있는 박사급 3명, 석사급 5명으로 구성되어 있으며, 외부 전문가 2~3명의 자문을 받아 진단기기의 검증 위주로 상용화 기기 구현 연구를 진행합니다. 실험 결과를 맹신하거나 성급하게 의미부여하지 않으며 실험결과를 도출하는 과정에서 실패 사례를 비중 있게 분석합니다. 비판적 시각에서 연구과정을 검증하고 경험을 축적해 나갑니다. 연구팀의 OB가 많지않지만 씨젠 등 이 분야의 유수의 기업으로 이직하는 등 연구원들은 그 실력을 인정받고 있습니다.
저희 연구팀은 바이오센서와 바이오진단기기 연구 전문성을 갖추고 있습니다. 바이오진단기기 사업을 처음 시작하려는 기업이나 대학 실험실 창업 벤처기업은 논문으로 발표된 연구결과에 의지해 성급하게 상용화하려는 시도가 잦은데, 이 경우 많은 시간과 자원을 낭비하거나 그럼에도불구하고 어쩌면 사업화에 실패할 수 있습니다. 다학제간 연구 전문성을 보유하고 면역진단과 분자진단기기와 바이오센서 구현에 풍부한 연구경험과 역량을 보유하고 비판적 시각에서 검증 연구 경험이 많은 우리 연구팀의 전문성을 활용한다면 그러한 실패를 상당 부분 최소화할 수 있을 것으로 생각합니다. 연구 예산이 늘 부족한 것이 단점이지만 투입된 연구 예산을 가장 효과적으로 활용하는 연구팀이며 최근 1년동안 4건의 기술이전 실적과 양산 가능성을 고려한 진단기기 사업화 연구가 진행되는 등 성과를 창출하고 있으며 함께 연구했던 컨소시움 기관들로부터 높은 신뢰를 받고 있습니다.
