1. 요약
인간게놈이 밝혀진 이후 포스트 게놈시대의 핵심기술로 바이오칩 연구가 부상하고 있다.
유전자, 단백질 등 생체 유기물과 반도체를 융합한 바이오칩은 이제 기술선진국이 되기 위해 반드시 넘어야할 첨단기술이다.
세계 각국의 과학자들은 앞으로 세계를 바꿀 10대 기술의 하나로 바이오칩을 지목했다.
바이오칩 기술을 이용하면 생물의 생명현상에 대한 근본적 원리와 구조를 분석, 새로운 신약을 개발하거나 인간의 뇌의 정보처리 메카니즘을 분석할 수 있을 뿐만 아니라 질병을 진단하고 예측할 수 있다.
또 단백질 구조를 분석해 인공 유전자를 개발하거나 지금까지는 처리할 수 없었던 다양한 목적과 기능을 가진 새로운 형태의 정보를 가공할 수 있는 바이오컴퓨터 개발은 물론 생물학적 전자부품에도 응용 된다.
따라서 이 기술은 인류의 질병예측과 진단, 신약개발, 뇌연구 및 게놈연구에서부터 바이오컴퓨터를 비롯한 차세대 전자소자 개발에 이르기까지 새로운 부가가치를 지닌 국가 기반산업을 창출해 산업구조를 획기적으로 바꿀 전망이다.
최근 우리나라도 국가적으로 추진할 차세대 신성장동력산업의 하나로 바이오칩을 선정하고 부처별 연구 분야를 확정, 산업계와 학계, 정부 연구기관이 공동 연구를 추진하고 있다.
생명공학 전문가들은 향후 황금알을 낳는 미래산업인 바이오 신약, 바이오 장기 개발도 바이오칩의 도움 없이는 불가능 하다는 진단이다.
우리나라는 반도체등 IT 부문의 상용화 기술에서 선진국과 어깨를 나란히 하고 있다.
여기에 최근 벤처기업을 중심으로 상용화 단계에 이른 BT기술을 결합 시킬 경우 생명공학 선진국인 미국 바이오기업에 버금가는 기업들이 속속 등장, 조만간 세계적인 바이오칩 강국으로 부상할 수 있다는 전망이다.
2. 기술개요
□기술개요
생물의 효소, 단백질, 항체, DNA, 미생물과 동식물 세포 및 기관, 신경세포등과 같은 생체 유기물과 반도체와 같은 무기물을 조합하여 반도체 칩 형태로 만든 생체정보 감지소자를 말한다.
바이오칩(Biochip)은 DNA등 원재료의 준비는 물론, 배열, 분석 등에 이르는 전 과정에서 생물학적 BT기술과 전자공학, 반도체 등 IT기술이 접목된 대표적인 융합기술.
이 기술은 70년대 이후 생물의 생체분자가 가진 기억기능, 조직체 형성기능, 병렬처리 기능 등을 이용해 물리적 한계를 드러낸 반도체 소자기술을 극복하고 지식 정보처리 지향의 컴퓨터 개발에 응용하기 위해 출발했다.
기본원리는 순도가 높은 작은 유리기판 위에 미세한 구멍을 뚫고 구멍 속에 생물 기능을 가진 핵산 같은 분자를 넣어 빛, 자기, 전기, 가스, 기압 등 외부자극에 대한 생물학적 소자의 출력 반응을 이용, 목적하는 내용을 파악 한다.
□바이오칩의 종류 및 관련 기술
바이오칩은 바이오센서(Biosensor), DNA 마이크로어레이, 단백질(Protein)칩, 셀(Cell) 칩, 뉴론(Neuron) 칩, 생체삽입용 칩, 랩온어 칩(Lab-on-a chip) 등으로 종류를 나눌 수 있다. 그러나 일반적으로 크게 나누어 마이크로어레이(Microarrary)형과 마이크로플루이딕스(Microfluidics)형 칩으로 구분한다.
마이크로어레이는 수천 혹은 수만 개 이상의 DNA나 단백질 등을 일정 간격으로 배열, 분석대상 물질을 처리해 그 결합 양상과 내용 등을 분석하는 바이오 칩. DNA 칩, 단백질 칩이 대표적 사례.
단백질 칩은 대부분 생명현상이 단백질에서 일어나기 때문에 활용가치가 높다. 그러나 효소, 항체, 수용체 등과 같은 필요한 단백질의 확보가 힘들고 변성되고 깨지기 쉬운 단백질의 특성 때문에 상용화는 DNA칩에 비해 뒤져있다.
DNA칩은 특정 유전자(질병과 관련된)의 존재유무확인, 단백질 칩은 항체, 항원 반응검사 등에 주로 이용된다. 마이크로플루이딕스 칩은 랩온어 칩이라고 불리기도 하며 미량의 분석대상 물질을 흘려보내면서 칩에 집적된 각종 생물분자 혹은 센서와 반응하는 양상을 분석하는 것으로 최근 분석물질의 분리, 합성, 정량분석이 가능한 칩도 개발 중이다.
그러나 학술적인 분류보다는 실제 산업적으로 응용되는 정도와 용도 차이에 따라 현재 상용화의 주류를 이루는 DNA 칩과 랩온어 칩, 단백질 칩 등 3종류로 구분할 수 있다.
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◇ 삼성종합기술원 바이오프로젝트팀이 개발중인 바이오칩의 개념도 | ●단백질 칩: 현재 상용화 연구를 위한 초기 단계에 있다. DNA 칩이 DNA의 결합 성질을 이용해 목적으로 하는 현상을 관찰하는데 비해 이 칩은 항원. 항체의 반응을 이용해 진단등을 하는 칩이다. 앞으로 결합 방식에 따라 효소와 기질 등을 이용한 칩이 출시될 전망이다.
●익스프레션프로파일링 칩: DNA칩의 일종으로 반도체 소자위에 유전자를 삽입, RNA의 패턴을 분석 한다. 현재 상용화 된 DNA 칩 중 50~60%를 차지하고 있으며 유전자의 발현 현상을 관찰해 유전자 연구에 주로 쓰이고 있다.
●지노타이핑 칩: 올리고 뉴크레오티드 칩으로도 불리며 염기의 차이를 주로 관찰 할 수 있는 칩이다. DNA 칩 중 30% 정도를 차지하고 있으며 이 칩은 유전자의 차이를 관찰해 진단용으로 사용되고 있다.
●게놈 칩: 반도체 소자위에 염색체 조각 등을 삽입해 염색체의 패턴을 관찰 할 수 있다. 연구 및 진단용으로 사용된다. DNA칩의 일종이다.
●랩온어 칩: 일반적으로 단백질 칩이나 DNA 칩이 반도체 소자에 물체 등을 삽입하기위해 분리, 증폭, 정제 등 실험실적 과정을 사전에 거쳐야 되나 이 칩은 반도체 소자위에 이 모든 과정을 진행한다.
따라서 미세기기 제작기술과 함께 소자위에서 실험물질을 미세화시켜 흘리는 기술인 마이크로플루딕스(미세유체역학)기술이 요구된다. 아직 본격적인 상용화 단계는 아니며 상품화 초기 형태의 제품은 일부 출시돼 있다.
바이오칩을 제조하는 기술에서 현재 미국이 가장 앞선 것으로 평가된다. 지난 90년 후반 이미 상용화에 나선 미국의 어피메트릭스사는 칩 제조에서 가장 중요한 원천기술에 대한 특허를 확보하고 있다.
원천기술은 칩 집적, 염색 등 이른바 분석 도구의 핵심 특허 기술이다. 어피메트릭스외에도 애질런트, ABI 등도 세계적인 기술을 자랑하고 있다.
우리나라의 칩 제조기술은 미국 다음으로 평가된다. 그러나 미국과의 기술차이가 현격해 평면적인 기술비교는 다소 무리가 있지만 일본에 비해서는 앞선 것으로도 분석된다.
최근 한. 일 연구진이 공동 개발한 “아빠 없는 생쥐”에 사용된 DNA 칩은 국내 기술진이 제작, 우리기술이 일본을 제친 것을 입증했다. 우리나라는 원천기술에서 미국 등에 비해 뒤지지만 칩에 들어가는 유전자등 내용물, 즉 컨텐츠 측면에서는 강점을 지닌 것으로 평가된다. 따라서 이들 분야의 기술을 개발한다면 세계시장을 재패할 가능성도 있다.
유럽은 미국에 뒤진 기술을 만회하기위해 새로운 개념의 칩 제조방식 개발에 주력하고 있다. 예컨대 미국의 어피메트릭스사가 칩을 정렬할 때 대량생산에 유리하지만 효율성이 다소 낮은 광식각방식을 이용하고 있다.
그러나 유럽측은 필요한 부분에만 빛을 쬐어 칩을 제조해 효율성을 높이는 포토미러방식 등의 개발에 주력하고 있다. 주요기업으로는 바이오칩 기술을 처음 제안한 연구자가 소속된 영국의 OGT사와 독일의 중소기업 Febit등을 들 수 있다.
□특허출원 현황
2002년말 현재 국내에 출원된 바이오칩 관련 특허는 50여건으로 최근 국내 벤처기업들이 바이오칩 개발에 적극 나서면서 특허 출원이 급증하는 추세이다.
2002년의 경우 바이오칩 자체에 관한 기술이 21건으로 가장 많고 부품. 소재 13건, 기계. 장치 6건, 분석시스템. 검출과 제조기술. 방법이 각각 5건으로 나타났다
국제특허는 제작기법과 관련된 원천기술보다는 분석, 예측, 평가 등의 개별 응용기술에 집중되어 있다. 미국 특허청은 바이오 인포매틱스와 바이오칩 관련 분야의 원천기술을 확보하기 위해 이미 지난 1999년 관련 출원의 전담 심사부서를 신설하는 등 이 분야의 출원이 급격히 증가할 것을 대비할 정도로 비중을 두고 있다.
미국에 출원된 바이오칩을 포함한 바이오 인포매틱스 관련 특허 사례를 보면 출원인의 국적 분포는 2002년 현재 미국 83.6%(186건), 일본 7.1(16건)%, 캐나다 3.1%(7건), 영국 2.2%(5건), 독일 0.9%(2건), 스웨덴 0.9%(2건), 기타 2.2%(5건) 이다. 이러한 특허출원 동향에서 바이오칩 분야의 연구개발을 미국이 선도하고 있으며, 그 뒤를 일본, 유럽이 추적하고 있다.
3.국내외 기술동향
□국내외 개발사례
미국의 퍼듀대 연구팀은 지난 200년 7월 실리콘 칩과 단백질을 결합한 `바이오칩´(biochips)을 세계 최초로 개발했다. 연구팀은 수천 개의 단백질을 심은 칩들을 손으로 들고 다닐만한 컴퓨터크기의 장치에 내장할 수 있어 특정 미생물을 비롯 질병세포, 유해한 화학물질이나 사람에게 투여한 약물의 변화 등을 신속하고 저렴하게 감지해낼 수 있다고 밝혔다.
전문가들은 따라서 이 바이오칩을 이용해 특정 질병을 진단하고 약물치료의 효능을 평가, 제약회사에서는 신약개발 연구과정에 이 바이오칩을 응용할 수 있을 것으로 전망. 연구팀은 컴퓨터 칩에 아비딘(avidin)이라 불리는 단백질을 결합시켰으며 아비딘은 바이오틴(biotin) 이라 불리는 비타민과 결합하는 특성이 있다.
서울대 유전공학연구소는 지난 2000년 8월 단백질칩을 이용한 다목적 자동진단시약을 국내에서 처음으로 개발했다. 연구팀은 항원(또는 항체) 단백질을 칩에 심어 혈액의 항체(혹은 항원)단백질을 감지하는 방법을 개발, 에이즈 바이러스(HIV) 및 간염 C형 바이러스(HCV) 등 감염성 바이러스에 대한 실험을 끝내 시제품 개발에 들어갔다.
이 기술은 기존의 효소면역분석법과는 달리 검출에 효소-기질 반응을 필요로 하지 않고 전체 반응시간이 짧으며 전 과정을 자동화할 수 있다. 이에 따라 ▲한 사람의 혈액을 이용한 수십 가지 질환의 동시 진단 ▲한 가지 바이러스성 질환에 대한 수십∼수백 명 이상 혈액의 동시 진단 ▲수십 가지 질환에 대한 수십∼수백 명 혈액의 동시진단 등이 가능하다.
미국 다나-파버 암연구소는 지난 2001년 12월 생후 1년 이하의 소아에서 주로 나타나는 특이한 유형의 백혈병을 효과적으로 확인할 수 있는 유전자(DNA)칩을 개발했다고 밝혔다. 이 연구는 유전적으로 일반적인 백혈병과 다른 특성을 보이는 희귀 백혈병에 대한 유전자 이상을 감지, 이 질병을 정확하게 진단하는 기술을 개발한데 큰 의의가 있다.
이 유전자 칩은 1만2천6백 개의 DNA조각을 유리 혹은 실리콘 웨이퍼에 입힌 다음 암세포로부터 추출한 RNA를 DNA조각과 반응시켜 나타나는 패턴을 분석할 수 있다. 연구팀은 이 칩을 이용, 1천여 개의 유전자를 확인했다. 이 칩의 개발로 특정한 백혈병을 정확하게 진단해 이에 적합한 치료를 할 수 있게 됐다.
중국 산시(山西)성에 있는 인민해방군 제4의과대학산하 유전자진단연구소는 지난 2000년 4월 암을 초기단계에서 진단할 수 있는 바이오칩을 개발했다고 밝혔다. 암을 전통적 방법으로 초기단계에서 진단하려면 최소한 500가지 검사가 필요하지만 이 바이오칩을 사용하면 1천 가지 검사를 동시에 실시할 수 있다.
특히 세계적으로는 사망원인 2위이고 중국에서는 1위를 차지하고 있는 위암의 경우 초기단계에서의 진단과 신속한 치료가 가능하다. 연구팀은 또 임신 3개월 때 임신여성의 손가락 끝에서 채취한 혈액 한 방울을 이 칩으로 검사해 태아가 기형인지 또는 유전질환이 있는지를 알아낼 수 있다고 밝혔다.
유전자진단연구소는 이 기술을 이용, 위장질환, 간염, 성병 등을 진단할 수 있는 8가지 바이오칩을 개발했다. 특히 간염 진단 바이오칩은 단5분이면 간염 바이러스 감염여부를 알아낼 수 있다고 한다. 재래식 진단법으로는 2일이 걸린다.
국내 바이오 벤처기업인 마크로젠은 지난 2001년 4월 한국인 유전자 4천6백8개로 구성된 DNA칩 ´MAGIC 4.6K´를 내놓았다. 이 칩은 한 개의 칩에 동일 유전자가 2겹씩 총 9천2백16개의 유전자가 고밀도로 심어져 있어 한번의 실험으로 두 배의 효과를 볼 수 있다.
이 제품은 약 3천2백로 알려진 유전자와 1천여 개의 알려지지 않은 유전자, 그리고 3백80개의 콘트롤 유전자로 구성돼 있다. 평균 세포 안에서 발현되는 유전자는 5천~7천개로 알려져 있는데 이 칩을 이용하면 세포 하나하나의 유전자 발현 상태를 매우 효율적으로 검사 할 수 있다.
한국과학기술연구원은 지난해 12월 국내 기업들과 공동으로 혈액 속에 존재하는 질병과 관련된 단백질을 전기적으로 측정할 수 있는 단백질감지 칩을 개발 했다. 이 단백질 칩은 특히 구동기능과 감지기능을 일체화해 항원. 항체반응을 통한 단백질의 결합을 공진 주파수 변화로 측정, 감지할 수 있는 세계 최초의 전기적 측정 방식을 응용했다.
이 칩은 공진 주파수 변화를 생체물질의 양에 따라 전기적으로 읽을 수 있으며 미세한 캔틸레버를 이용, 수십 마이크로 리터 이하의 적은 시료를 사용해도 30분 이내에 단백질을 측정할 수 있는 장점을 가지고 있다.
□국가별 개발동향
바이오 칩 개발의 선두주자는 세계적으로 생명공학 분야의 선두주자인 미국이다.
이미 지난 90년대 말부터 어피메트릭스사등이 돌연변이 검색용으로 가장 적합한 올리고 칩인 DNA 칩을 개발, 상품화해 세계시장에서 앞서 나가고있다. 이 회사는 CYP450, p53 및 HIV의 돌연변이를 찾는 유전자 칩등을 개발 판매하고 있다.
이 밖에 애질런트 테크널러지스등이 바이오칩 생산 중이며 최근에는 이들 생명공학기업에 전자업계의 선두주자인 모터롤라,휴렛패커드등이 가세, 종합적인 연구망을 구성해 세계시장을 노크하고 있다.
학계에서는 최초로 반도체 미세전극을 개발한 미시간대학이 완전 이식형 뉴로 칩을 개발중이며 일리노이 대학이 신경친화성 물질을 반도체 미세 평면전극 위에서 신경체포망을 구성하는 기술을 개발했다. 미국의 생명공학 연구개발비 예산은 2002년 286억달러를 집행해 국방비에 이어 2위 수준이다.
일본의 경우도 바이오 벤처기업은 물론 대기업인 히다치, 미쓰비시등 거대 IT기업들이 생명공학 기업들과 손잡고 바이오 칩 시장에 적극 진출하고 있다. 이에따라 시장규모가 지난해 65억엔 규모에 불과한 일본 시장에서만 20여개의 유력 기업들이 활동, 출혈경쟁의 우려도 낳고있는 실정. 일본 정부도 이러한 현실을 감안 지난해 3천억원 이상의 연구비를 책정했다.
우리나라는 미국에 비해 기술력이 다소 뒤져 연구개발용, 임상진단용 바이오칩이 속속 개발되고 있으나 아직 본격적인 상업화 궤도에는 오르지 못하는 실정이다. 특히 국내 관련기업들이 관련 원천기술 특허를 확보하지 않아 향후 시장 확대에 따른 특허 분쟁 등의 우려도 나오고 있다.
그러나 정부는 2010년 세계 7위권 바이오산업 강국으로 육성한다는 목표로 ´바이오전략회의´를 신설하고 BT와 IT 융합분야의 발전을 위한 BIT산업화지원센터를 구축해 바이오칩을 차세대 신성장동력산업 기술의 하나로 채택했다.
6천억 원규모의 예산이 투입될 전망이다. 부처별로 과기부가 단백질 칩, 산자부는 랩온어 칩, 복지부는 진단용 DNA 칩 개발에 주력키로 했다. 삼성 등 일부 대기업이 산하 연구기관을 통해 바이오칩개발에 나서고 있으며 4백여 개의 벤처기업들이 연구에 전력을 기울이고 있다.
4.국내외 시장동향 및 전망
□산업전망 및 시장동향
현재 바이오칩 시장은 DNA칩이 주종을 이루고 있으나 앞으로 단백질 칩과 랩온어 칩의 비중이 높아져 오는 2010년에는 이들 제품이 주종을 이룰 전망. 현재 바이오칩은 연구용이 대부분으로 진단용 칩은 본격적인 상용화 단계에는 이르지 못하는 실정.
따라서 바이오칩 시장은 제품의 상업화 속도에 따라 향후 연간 30%이상의 고성장을 기록할 전망. 일부 전문가들은 오는 2006년 36억달러, 2010년에는 1백65억 달러의 시장이 될 것으로 내다보고 있다.
전세계 바이오산업을 주도하고 있는 미국의 2001년 바이오칩 시장은 약 10억2천740만달러의 매출을 기록했으며 2006년까지 연평균 7.7%의 성장률을 기록하면서 14억5천250만달러 규모가 될 전망이다.
국내 시장도 국내 순수의료용 바이오센서뿐만 아니라 포스트 게놈과 나노기술 연구 활성화로 연구용 바이오센서의 수요가 급증해 바이오센서 시장만해도 매년 50%이상의 성장을 기록해 내년도에 300억원규모의 시장을 형성할 것으로 전망되고 있다.
□기술개발 전망
다양한 기술융합 분야 중에서도 BT-IT 분야의 대표적 주자인 바이오칩은 상업화에 근접해 있을 뿐 아니라 파급효과도 가장 클 것으로 예상된다.
세계적으로도 미국과 유럽, 일본 등 과학선진국이 바이오칩 상용화 연구를 서두르고 있어 향후 3~4년이면 바이오칩이 의료산업에 널리 이용되는 단계가 될 것으로 전망된다. 바이오칩 기술은 바이오장기, 바이오신약개발의 기반기술이란 점에서 기술 선진국이 되려면 반드시 해결해야할 분야이기 때문이다.
특히 우리나라는 반도체 등 IT의 상용화 기술에서 강점을 보유, 바이오칩 강국이 될 가능성이 충분하다. 최근 국가적으로 2만 달러 소득 달성을 위한 과학기술 개발에 전력을 쏟고 있고 관련 벤처기업들의 활동이 두드러지고 있어 올 연말께 임상실험을 거친 바이오칩 상품이 국내에서도 본격 출시될 전망이다.
□정책제언
전문가들은 우리나라가 바이오칩 선진기술국이 되기 위해서 우선 유전자 등 이른바 컨텐츠의 개발을 서둘러 경쟁국을 따돌리면서 진단의 도구 등 실용화 기술을 집중 개발할 것을 권고하고 있다.
원천특허를 보유한 세계적인 선진기업들과 경쟁을 피하기 위해 새로운 원천특허의 확보 보다는 기존 바이오칩을 이용한 응용기법과 새 제조기법의 개발에 대한 특허를 확보하는 작업에 역량을 집중해야 한다는 것이다.
이와 함께 세계적인 상품성을 확보하기위해 제품간 상호호환성을 확보할 수 있도록 표준화 작업을 서두를 필요도 있다. BT-IT산업간의 시너지 효과를 높이기 위해 생물정보 DB의 통합 관리 및 인력 육성과 함께 개별 기업, 연구소 차원의 투자가 어려운 고가 실험 장비의 공동 이용 방안 등을 심도 있게 검토해야 한다.
제도적으로는 국내 특허정책도 새로운 산업의 대두에 걸맞게 이른바 바이오 산업에 대한 ‘친특허정책’으로 전환해야한다고 산업계는 지적한다. 또 기존의 방식으로는 능동적인 연구를 뒷받침 하지 못하는 생명공학산업 분야의 인허가제도도 새롭게 전환돼야 할 것으로 지적된다.
<참고 문헌> http://www.goodgene.co.kr/ http://www.proteogen.co.kr/1.htm http://www.korea.ac.kr/~biochip/frame2.htm http://www.microbiochip.com/2_business/busi04.htm http://bric.postech.ac.kr/issue/biochip.html http://www.kisti.re.kr/rnbd2/html/list.jsp?co=J04&va=바이오칩 http://www.genspector.com/ “나노테크널러지와 바이오칩” 한국보건산업진흥원 http://www.kipo.go.kr/ 특허청 관련자료 http://www.genspector.com/
문의처 : 한국과학기술정보연구원(KISTI) 이창환 선임연구원
전화 : 3299-6015
이메일: chree@kisti.re.kr
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첫댓글 여기서 말하는 유전자 침, 단백질 칩이란 우리가 흔히 RFID/베리칩이라 말하는 그 칩이랑은 다른 물건입니다.
다른 물건이라는 이유를 우리가 알고있어야지 그냥 다른 물건이라고하면 어떻게
우리가 알수 있겠습니까!
무엇이 다른것인지 구체적으로 알려주시면 안되겠습니까?
우선 여기에 답변글 달게되면 길어질수있으니 저에게 쪽지보내주시면 안되겠습
니까?
번거롭게 해드려서 죄송합니다^^
칩이라고 하는 물건은 말그대로 대용량의 정보를 작은 입자위에 정리해두는 것을 말하는데, 그중 우리가 주의해서 보고 있는 RFID칩은 칩이 이식된 개체에 대한 정보 -어디에 있는가, 구좌에 얼마가 있는가-등을 담아두는 데 목적이 있습니다. 그러나 이 글에 나열된 바이오 칩이라는 것들은 특정 질병유전자의 정보나, 질병관련 단백질들의 움직임을 추적하기 위해 제작되는 입자를 말하는 것으로 사람에게 이식될 이유로 만들어지는게 아닙니다. 다시 칩과 대상의 관계로 풀어서 말하자면, 베리칩이란 물건은 대상에게 이식되어 대상의 정보를 서버에 제공하는 물건이고
이 글에 나열된 바이오칩들은 대상으로부터 채취한 샘플을 가지고 반응시켜서 대상의 건강상태와 미래등을 예측하는 목적으로 사용될 것을 의미합니다. 대상에게 이식될 가능성은 아직은 없습니다.