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그들은 놀라운「감각」이 발휘되면 혈당쯤은 앉은 자리에서, 종래에 5일 걸렸던 BOD는 수분만에 밝혀지고 만다.

올해 우리나라에서 전 국민을 의료보험에 가입시키면서 진료기관을 1차 2차 3차 기관으로 분류하였다. 이처럼 진료기관을 분류한 기준은 의료기관의 크기를 나타내는 병상수였다. 병원이 클수록 시설이 완벽하여 종합적인 의료시술이 가능하기 때문에 저급 의료기관에서 진료가 불가능한 환자만이 고급 진료기관으로 이송된다.

고급 진료기관에서 보유한 고가의 의료시설은 대부분 임상분석용 기기들이다. 실제로 1, 2차 진료기관에서는 임상 시료를 대부분 3차 진료기관으로 보내 분석을 의뢰하고 있다. 이용 빈다고 낮은, 적은 병원이나 의원에서 고가의 장비와 이것을 운영할 전문적 인력을 보유하는 것이 경제적이지 못하기 때문이다. 그러나 훈련받지 않은 의사 혹은 환자 자신이 쉽게 이용할 수 있는 분석기기를 개발하여 보급하면 이러한 어려움을 극복할 수 있다. 뿐만 아니라 의사 한사람 혹은 몇사람이 일정지역 주민을 담당하는 가정의 제도도 정착시킬 수 있을 것이다. 필요한 임상분석을 자체적으로 간단하게 실시할 수 있기 때문이다.

당뇨 증세를 진단하기 위해 대개는 혈당을 측정한다. 또 소변 중의 포도당을 재어서 혈당수준을 간접적으로 알 수 있다. 이를 위해 요(尿) 검사지가 개발되어 현재 널리 이용되고 있다. 당뇨 증세가 있는 환자 자신이 직접 혈당을 잴 수 있기 때문에 혈당측정을 위해 매일 병원에 다녀야 하는 불편을 덜 수 있게 된 것이다.

병원에서 혈당을 측정하려면 고가의 정밀 분석기기를 이용해야 하며, 측정하기 전에 혈액 중의 단백질을 분리하는 등 복잡한 전(前)처리를 거쳐야 하기 때문에 전문적인 인력이 필요하다. 그런데최근 분석에 전문지식이 없는 의사나 환자 자신이 혈당을 1분 이내에 잴 수 있게 만들어진 기기가 개발되어 국내에서 수입·시판되고 있다. 이 혈당측정기의 신속성과 정확성의 비결은 무엇일까?

간단하지만 측정하려는 물질에만 특이적으로 반응, 단번에 결과를 알려주는 분석은 생물반응을 응용하여야만 가능하다. 이같이 생물반응을 응용하거나 생물재료를 이용한 분석 또는 측정기기를 바이오센서라 부른다. 바이오센서는 의료분야에서 임상분석 뿐 아니라 앞으로 활용이 급격히 증가할 인공장기에 필수적인 부분이 될 것이다. 또 식품 환경 생물공업 방위산업 등 산업 분야는 물론 이고 일상 생활에도 널리 이용될 것으로 전망된다.

선택성과 민감도가 높아
 

바이오센서란 어떤 물질을 측정하기 위해 만들어진 장치로서 일부 또는 전부가 생물에서 유래된 물질인 것을 말한다. 바이오센서는 화학 또는 물리센서와는 달리 측정하려는 물질에 대한 특이성(specificiry) 또는 선택성(selectivity)이 강하며, 일반적으로 민감도(sensitivity)가 높은 특징이 있다.

생물은 주어진 환경에서 가장 효율적으로 자랄 수 있게 진화되어 왔다. 이를 위해서 많은 생물반응이 정확히 조절되고 있다. 즉 필요없는 반응은 저해되고 필요한 반응은 촉진된다. 그런데 생물반응은 대부분 효소라는 단백질의 작용으로 이루어진다. 생물반응의 조절작용을 위하여 생체안에서 효소는 작용을 할 수 있는 상태와 작용할 수 없는 상태로 변화하는 것이다.

이때 한 효소가 여러가지 반응을 촉매한다며 조절작용이 효과적으로 이루어질 수 없다. 따라서 모든 효소는 단일반응만을 촉매할 수 있도록 진화되어 왔다. 이와 같은 효소의 성질을 자물쇠 원리(key and lock theory)라 한다.

효소뿐 아니라 고등동물의 면역반응도 항원에 대한 특이한 항체가 만들어지기 때문에 선택성이 매우 강하다. 따라서 면역반응을 어떤 물질의 측정에 이용하면 이들의 특이성과 선택성을 분석에 쓸 수 있게 된다. 반면 물리나 화학반응을 활용하여 어떤 물질을 측정하는 센서들은 선택성이 낮기 때문에 특정물질을 선택적으로 분석할 수 없는 경우가 많다.

예를 들면 연탄가스 중에서 사람에게 독성이 강한 일산화탄소(CO)를 측정하기 위한 화학센서는 일산화탄소가 촉매가 존재할 때 쉽게 이산화탄소로 산화되는 성질을 이용하여 만든다. 따라서 일산화탄소뿐 아니라 수소 유화수소 등 산화될 수 있는 모든 기체에 반응할 수 있기 때문에 일산화탄소를 선택적으로 측정하기가 어렵다. 반면 효소인 일산화탄소산화효소를 이용하면 다른 기체와는 작용할 수 없기 때문에 선택성이 강한 센서를 만들 수 있다.

센서란 어떤 물질이나 현상을 측정, 그 정보를 이용하기 위해 만들어지는 기기이므로 정보의 이용분야에 따라 정보를 전달하는 형태를 결정할 수 있다. 정보의 형태로는 전기적인 신호, 광신호 등 물리적인 신호가 널리 쓰인다. 이 정보를 다시 가공하여 자동제어 등 2차적으로 이용할 때는 광신호도 전기적 신호로 바꾸는 것이 매우 간편하다. 따라서 바이오센서를 비롯한 각종 센서는 정보를 전기적인 신호로 바꾸는 일반적이다.

바이오센서의 기본적인 원리는 측정하려는 물질이나 현상의 질과 양을 전기적 신호로 바꾸어 주는 것이다. 따라서 바이오센서는 생물체, 생물현상을 전기적 신호 등 물리적 신호로 전환시켜 주는 변환기(transducer) 그리고 이 신호를 증폭·가공하는 정보처리 부분으로 나눌 수 있다(그림 1).

정보처리부분은 라디오나 TV와 같이 일반화된 기술이지만 생물체와 변환시키는 측정하려는 대상과 여기서 얻어지는 정보의 용도에 따라 다양한 기술이 필요하다.

바이오센서에 이용될 수 있는 생물반응은 수소 이온을 비롯한 각종 이온의 생산과 소비, 기체의 생산과 소비, 발열 전자전달 질량 변화 등을 들을 수 있다. 이 같은 반응을 유발하는 생체물질은 (표1)에서 보는 바와 같이 효소 항체 등 단백질과 세포 조직 등 다양하다.
 

혈당을 1분내에 파악해

바이오센서에서 생물반응을 물리적인 신호로 전환시키는 장치를 변환기라고 부르고 있는데, 그 방식에 따라 여러 종류로 나눌 수 있다. 이 중에서 가장 일반적으로 이용되는 변환기를 중심으로 실제 제작되고 있는 바이오센서의 예를 들어 보기로 한다.

먼저 전압변환기에 대해 알아보자. 두 전극 사이에 전리된 이온이 존재하면 전압이 형성된다. 따라서 각 이온을 특이적으로 통과시키는 막으로 전극을 둘러싸면 각 이온의 농도에 따라 전극 사이에 전압이 형성된다. 이러한 장치를 ISFET(Ion-Selective Field-Effect Transistor)라 부른다.

ISFET에 측정하려는 물질과 작용하여 이온을 생산하는 효소를 고정화시키면 이 물질을 측정할 수 있는 전압변환기를 만들 수 있다.

자연계에는 20여 종의 아미노산이 있다. 이중에서 8종은 사람을 비롯한 고등동물이 몸안에서 합성할 수 없기 때문에 매일 일정량을 섭취해야 한다. 따라서 여러 종류의 아미노산이 생물공학적인 방법으로 생산되고 있기 때문에 식품이나 사료 중의 아미노산을 분석해야 하는 경우가 많다.

예컨대 아미노산 탈아민효소는 아미노산과 작용하여 암모니아를 생산한다. 따라서 암모니아 ISFET에 아미노산 탈아민효소를 고정화시키면 각종 아미노산의 농도에 따라 생산되는 암모니아의 농도가 달라진다. 결국 이 농도차이는 암모니아 ISFET에 의해 전압차이로 변환되어 우리가 원하는 형태의 정보로 처리할 수 있다. 따라서 아미노산 측정용 바이오센서를 만들 수 있다.

아미노산 산화효소도 아미노산에 작용하여 암모니아를 생산하기 때문에 같은 목적으로 이용할 수 있다. 또 요소를 암모니아와 이산화탄소를 분해하는 유리아제라는 효소와 암모니아 ISFET를 활용하면 소변 중의 요소함량을 측정할 수 있는 바이오센서를 만들 수 있다.

pH전극은 수소이온을 특이적으로 측정하는 장치이다. 이 전극 표면에 수소이온을 생산하는 효소를 고정화하면 이 효소와 작용하는 물질을 측적하는 바이오센서가 탄생된다. pH전극을 이용하는 바이오센서로는 포도당 요소 페니실린 등의 물질을 측정할 수 있다(그림 2).

ISFET를 사용하는 바이오센서는 변환기를 극소화할 수 있기 때문에 생체에 직접 삽입, 생체 내의 물질변화를 시간의 경과에 따라 측정할 수 있기 때문에 인공장기의 자동조절용으로 크게 이용될 것으로 전망된다. 또 여러 개의 극소형의 바이오센서를 하나의 센서로 묶어 다중화할 수 있는 등 여러가지 이점이 있다.

산소전극은 산소의 농도를 전압으로 변환시켜 주는 원리로 산소농도를 알려준다. 산소전극도 pH전극과 같이 각종 바이오센서의 제작에 쓰이는데 그중 폐수나 하천수의 오염도를 측정할 수 있는 생물학적 산소요구량(biological oxygen demand, BOD) 센서는 곧 실용화될 전망이다.

BOD를 측정하려면 시료를 적당한 미생물과 함께 5일간 배양한 후 감소하는 산소의 양을 분석해야 한다. 그래서 생물학적 산소 요구량을 보통 BOD5로 표시한다. 처리할 폐수의 오염 정도와 방류하는 처리수의 오염도를 알아야 적절한 조건으로 폐수처리시설을 가동시킬 수 있게 된다.

오염 정도를 5일 후에 알게 되면 그 결과를 처리시설의 운전에 응용할 수는 없다. 또 방류수를 5일 이상 저장해야 하는 어려움이 있다. 그러나 산소적극을 이용하는 바이오센서를 가지고 있으면 한 시간 이내에 BOD를 측정할 수 있기 때문에 이러한 문제를 쉽게 해결할 수 있다.

산소전극에 적당한 미생물을 고정화하면 BOD측정용 바이오센서가 작동하기 시작한다. 이때 산소전극을 이 미생물이 이용(산화)할 수 있는 유기물이 없는 물에 담그면 산소농도의 변화가 없으나 여기에 유기물을 첨가하면 첨가하는 양에 따라 산소농도가 달라진다.

따라서 산소농도의 변화를 측정, 이 산소 소비량과 BOD값이 비례함을 근거로 BOD를 알아내는 것이다. 현재 일본에서 BOD센서에 관한 연구가 활발히 진행 중에 있으며, 기술이 비교적 간단하여 국내에서도 곧 실용화될 것으로 전망된다.
 

산화·환원반응을 이용하기도

둘째로 전류변환기에 대해 살펴보자. 신경계통의 작용이나 산화·환원반응 등 생체에서 일어나는 전기작용을 직접 또는 간접적인 방법으로 전극에 연결시키는 장치를 전류변환기라 부른다. 전류변환기를 활용하는 바이오센서 중에서 가장 빈번하게 등장하는 생물체는 산화·환원효소이다.

포도당은 병원의 임상시료 중 가장 많이 분석되는 항목이다. 특히 당뇨 증세가 있는 환자는 거의 매일 혈액 중의 포도당의 농도를 잰다. 아무튼 포도당은 가장 보편적인 당류로 임상 뿐 아니라 식품공업 발효공업 등 여러 산업에서 '감초'격의 분석물이다. 현재 병원이나 실험실에서는 포도당을 분석하기 위해 고가의 장비와 훈련된 인력을 갖추고 있으며 분석에도 많은 시간이 소요된다. 이러한 단점을 극복한 바이오센서가 바로 전류 변환기형 바이오센서.

전류변환기의 특징은 생물반응에서 일어나는 전자의 이동을 직접 전극으로 연결시키는 것이다. 이렇게 되려면 산화·환원되는 생체물질이 전극물질과 접촉해야 한다.

생물반응은 거의 모두 단백질에 의해 촉매된다. 몸안에서 일어나는 산화·환원반응도 예외는 아니다. 산화·환원될 수는 조효소와 결합되어 있는 단백질에 의해 반응이 촉매되는 것이다. 그런데 산화·환원반응을 촉매하는 효소 단백질 중에서 전자의 전달을 담당하는 부분이 단백질로 싸여 있다. 때문에 생체의 산화·환원반응에서 전자가 직접 전극으로 연결되기는 어렵다.

산화·환원반응에 관여하는 단백질 중에서 구조가 비교적 간단한 시토크롬 C(cytochrome C)를 예로 들어보자. 전자 전달에 직접 관여하는 헴(heme) 보결 원자단이 시토크롬 C 구조의 내부에 존재한다. 따라서 전자를 전달하는 헴기와 전극 사이를 물리적으로 분리하기 때문에 전자가 이동할 수 없다. 이러한 단점을 극복하기 위해 생체반응에서 이용되는 전자전달체를 구조가 간단한 인공전자전달체(mediator)로 대체하고 있다. 즉 인위적으로 전자를 전극으로 직접 이동시키는 방법(mediated system)이 많이 이용되고 있는 것이다.

전류변환기에 쓰일 인공전자전달체는 여러가지 특성을 가져야 한다. 특히 생체전자전달체로부터 전자를 전달 받는 헴이 산소보다 강하여 산소의 유무와 관계없이 전자를 받을 수 있어야 한다. 오랜 연구 끝에 페로신(ferrocene)이라는 물질이 적당한 것으로 밝혀졌다.

페로신을 전자매개체로 해서 개발된 포도당 측정용 바이오센서를 예로 들어 전류번환기를 설명하기로 한다. 곰팡이가 생산하는 포도당 산화효소는 포도당과 산소에 작용, 글루콘산과 과산화수소를 생산한다. 이 효소는 포도당의 2개의 전자를 제거하여 글루콘산으로 산화시키고, 이 전자를 이용하여 산소를 과산화수소로 환원시킨다.

이 효소를 탄소전극에 페로신과 함께 고정화시키면 전자가 산소로 이동하지 않고 페로신으로 전달되고 이어서 탄소전극으로 간다. 전자의 이동을 '전류가 흐른다'고 정의하기 때문에 이렇게 만들어진 변환기를 전류변환기라 부르며, 이 전류를 증폭하면 포도당 농도를 측정할 수 있다.

발광 발색이 중요한 열쇠로

셋째로 광변환기란 무엇인가? 전압 및 전류변환기는 생물반응을 직접 전기적 신호로 전환시킨 간접적인 방법을 사용한다.

빛을 발하는 생물로는 개똥벌레가 잘 알려져 있으며, 물고기와 공생하는 세균의 발광현상도 널리 소개된 사실이다. 개똥벌레는 아데닌 삼인산(ATP)의 에너지를 이용하여 빛을 만들며, 발광세균은 생체전자전달체인 니코틴아미드 아데닌 디뉴클레오시드(NAR)가 환원되어 있을 때 (NADH) 이 에너지를 이용한다. ATP나 NADH가 발광반응에서 한몫하는 성질을 이용하면 ATP NADH는 물론이고 이들을 생산하는 능력을 지닌 물질을 측정하는 바이오센서를 만들 수 있다.

일반적으로 식품의 신선도는 오염되어 있는 미생물의 수로 표시 할 수 있다. 실제로 식수 중의 미생물 수나 식품의 오염도를 알아내기 위해 시료를 적당한 고체배지에 바르고 2∼3일 후에 나타나는 미생물 취락의 수로 판정하기도 한다. 이때 취락의 수는 시료 중에 살아 있는 미생물의 수로 생각할 수 있다. 살아 있는 모든 미생물은 세포 안에 ATP와 NADH를 함유하고 있다. 시료 중의 ATP나 NADH를 측정하면 '팔팔한' 미생물의 수를 추정할 수 있기 때문에 우유 등 식품이나 식수의 미생물 오염 정도를 재는 바이오센서를 만들 수 있다. 같은 원리를 응용하면 바이오리액터 중의 세포수도 측정할 수 있다.

발광뿐 아니라 생물반응에서 일어나는 색상의 변화도 바이오센서에 응용할 수 있다. 이미 밝혔듯이 포도당 산화효소는 포도당과 산소에 작용하여 글루콘산과 과산화수소를 생산한다. 그런데 과산화수소는 산화력이 강하기 때문에, 산화되어 색을 띠는 물질을 이용하면 광변환기형 포도당 측정용 바이오센서를 만들 수 있다. 이 바이오센서는 이미 미국의 마일즈(Miles)사가 개발에 성공, 국내에서도 시판되고 있다.

광변환기는 대개의 경우 정보의 가공과정에서 광신호를 전기적 신호로 바꾸어 줄 필요가 있다. 따라서 전압 또는 전류변환기보다 복잡한 단점이 있는 반면 민감도가 월등히 우수한 장점도 있다. 최근 광섬유기술과 레이저광의 실용화로 광변환기의 크기가 점차 소형화되고 있으며, 감지부와 정보처리부를 분리할 수 있게 되었다. 즉 광변환기를 이용하면 감지부를 생채에 직접 삽입할 수 있는 바이오센서도 가능하다는 것이다.

넷쩨로 온도 저항 압전현상 등도 바이오센서에 활용될 수도 있다. 예컨대 생물반응에 의해 일어나는 온도변화를 전기적 신호로 전환할 수 있는 열량계를 열변환기로 활용할 수 있다. 그러나 민감도가 낮고 복잡하며 가격이 비싸 실용성이 낫다.

또 전극표면의 전기저항을 변화시키거나 압전기(piezoelecric)를 유발하는 생물반응도 바이오센서에 이용할 수 있으나 특수한 경우를 제외하면 실용성이 없다.

다섯째로 면역학을 이용하는 바이오센서도 보았다. 효소 균체를 이용하는 바이오센서는 이들과 작용하는 물질만을 측정할 수 있을 뿐 작용이 알려지지 않은 물질 앞에서는 '장님'과 다를 바 없었다. 이때의 '공양미'는 항체다. 항체를 이용하면 이 항체와 작용하는 항원을 찾아낼 수 있는 바이오센서를 만들 수 있다.

항체를 바이오센서용 변환기에 이용하는 방법은 크게 2가지로 나눌 수 있다. 첫째 항원에 전기적 변환기 또는 광변환기 등에 이용되는 효소를 연결 항원이 항체와 결합하면 효소가 작용할 수 있도록 변환기를 제조해 사용하고 있다.

또 항체는 단백질이기 때문에 분자 안에 많은 부분이 전리되어 있다. 여기에 항원이.결합하면 항체 단백질의 전기적 성질이 변한다. 이 전기적 변화도 변환기를 만드는 데 이용할 수 있다.

폭발물을 탐지할 수 있다

바이오센서 기술은 비교적 새로운 기술이기 때문에 세계적으로 활발히 연구되고 있다. 그러나 아직 실적은 미미한 상태이다. 포도당 측정용 센서가 유일하게 실용화된 예이며, BOD센서는 실용화를 위한 연구단계에 있다.

국내에서도 바이오센서의 기초가 되는 효소학 미생물학 생물학 분야는 오랜 경험과 활발한 연구가 진행되고 있기 때문에 바이오센서 분야의 연구도 비록 늦게 시작되었지만 곧 선진국 수준으로 도달할 수 있을 것으로 판단된다.

현재 바이오센서가 가장 활발하게 응용되는 곳은 의료분야일 것이다. 질병의 예방 진단 치료과정에서 많은 종류의 임상시료가 분석된다. 실제로 종합변원의 임상실험에서는 고가의 분석기기를 사용, 수집된 시료를 분석하고 있으나 시료의 수집과 분석시간이 길기 때문에 긴급을 요하는 시료의 분석을 짧은 시간에 할 수 있는 방법이 필요하다. 이를 위해 시료의 전처리가 필요없고 취급이 간편한 분석기기의 개발이 요청되고 있다. 이러한 기기가 개발되면 질병의 진단시간이 짧아지고 특별한 훈련을 받지 않은 의사나 환자 자신이 직접 분석할 수 있기 될 것이다.

식품공업에서도 바이오센서는 기대주다. 대단위 식품공업에서 원료의 신선도는 최종제품의 품질에 지대한 영향을 미친다. 따라서 원료 처리 전에 간편한 방법으로 빠른 시간 안에 신선도를 측정할 필요가 있다. 이를 위해 우유 중위 생균수를 알아내는 바이오센서가 개발되었다. 또 육류의 신선도가 육질의 포도당 함량과 관계가 있는 것을 응용, 포도당 센서로 육류의 신선도를 측정하는 방법도 등장했다.

지금까지 식품에 이용될 목적으로 개발되었거나 연구되고 있는 바이오센서는 모두 의료용으로 개발된 것을 응용하는 수준이다. 의료 분야가 식품 분야보다 시장성이 크기 때문이다. 앞으로 예방의학의 중요성이 강조되고 즉석식품이 대중화되면 식품용 센서도 개발될 것으로 전망된다.

생물공업에서도 유용할 것으로 보인다. 생물공업이 발달한 일본에서 개발된 바이오센서 중에는 생물공업의 기질이나 산물을 측정하는 것들이 많다. 바이오센서의 개발비가 수백만달러에 달하는데 비해 생물공업용 바이오센서의 수요가 적기 때문에 아직 산화업화된 예는 찾기 어렵다. 앞으로 바이오센서가 대중화돼 개발비가 낮아지면 소형 컴퓨터를 이용하여 얻어지는 정보를 가공, 생물공업의 공정자동화에 크게 기여할 전망이다.

환겅평가에도 위력을 발휘할 게 분명하다. BOD 측정용 바이오센서의 실용화가 이루어지면 5일 이상 소요되는 BOD를 수분내에 측정할 수 있게 될 것이다. 또 대기오염의 주범이 되는 일산화탄소 유황화합물 등을 측정하는 화학센서들이 생산되고 있으나 특이성이 낮기 때문에 특이성이 높은 바이오센서의 개발이 요청되고 있다. 그리고 산화·환원 효소가 알려진 각종 오염물질의 바이오센서는 의료용 센서의 경험을 토대로 쉽게 개발될 것으로 생각되며, 항원을 이용해서도 바이오센서를 만들 수 있기 때문에 거의 모든 유기오염물질을 바이오센서를 이용하여 측정하는 방법이 곧 선보일 것이다.

바이오센서의 영역은 여기서 그치지 않는다. 영국의 손(Thorn) EMI 심테크(Simtech) 사는 화학무기로 이용되는 신경가스 측정용 바이오센서를 산업화하여 방위산업 분야에도 바이오센서가 이용될 수 있음을 증명하였다. 뿐만 아니라 항원·항체반응을 이용하는 폭발물 바이오센서의 개발이 진행중인 것으로 알려지고 있다.

바이오센서 시장을 전망한 연구보고서에 따르면, 현재 우리의 일상생활에서 전자제품이 광범위하게 이용되고 있는 것과 21세기에는 바이오센서가 될 것이라고 예측하였다. 이러한 관점에서 볼 때 정부가 바이오센서를 포함하는 센서기술 개발을 국책 연구과제로 선정, 1990년부터 중점적으로 지원하기로 결정한 것은 매우 현명한 판단이라 생각된다.