나노구조체에 기반한 발색형 스마트 바이오센서
Date 2017-04-01 15:20:15 페이스북으로 보내기 트위터로 보내기 hit 2,713
김문일
교수
가천대학교 바이오나노학과
moonil@gachon.ac.kr

1. 서론


최근 스마트 센서에 대한 관심이 높아지고 있다. 기존의 센서가 검출기(Detector) 역할을 주로 수행하였던 데 반해, 최근의 ‘스마트’ 센서는 특정 신호를 감지 후 전달하여 중앙 장치가 어떠한 판단을 내리도록 한다는 점에서 그 성격이 다르다 하겠다. 최근의 스마트 센서는 IoT(Internet of Things)로 불리는 사물인터넷의 발달과 함께 의료, 각종 생산공정, 환경 뿐만 아니라 자동차, 국방, 주거 및 사무실 환경 등 다양한분야에서 널리 활용될 것으로 전망되며, 활발히 연구되고 있다. 특히 스마트 센서의활용분야 중 가장 큰 관심을 받고 있는 분야가 헬스케어로 불리는 의료분야이다. 헬스케어는 질병의 예방을 위한 진단과 관리 및 치료를 포함하는 전반적인 건강관리를 의미하는 용어로서, 향후 휴대용으로 만들어진 스마트 센서가 활용됨으로써 시간과 장소에 구애받지 않고 주요 생체정보를 실시간으로 모니터링하고 자동으로 병원 및 의사와 연결되어 언제 어디서나 진료 및 치료가 가능해질 것으로 기대되고 있다. 이와같은 형태를 유비쿼터스 헬스케어라 부르며, 정보통신과 의료를 스마트 센서를 통해 연결하여 질병의 예방, 진단, 치료, 사후 관리 서비스를 통합적으로 제공할 수 있기 때문에, 향후 큰 성장이 기대되고 있다[1].
이와 같은 목적으로 개발되는 스마트 센서, 특히 생체물질 진단을 위해 생체 수용체에 기반한 진단을 수행하는 스마트 바이오센서는 진단 대상 물질과 생체 수용체와의 상호 반응의 신호화 및 그 증폭을 위하여 다양한 방법을 사용하고 있다. 즉, 발색, 발광, 형광 등의 표지자 혹은 관련된 반응을 이용하는 광학적 분석기법과 전기화학적 분석법, 그리고 비표지 방식인 SPR(Surface Plasmon Resonance), FET(Field Effect Transistor), 질량 분석(Mass Spectrometry) 등의 방식도 다양하게 활용되고 있다.
특히 다양한 나노구조체의 특이적인 성질을 바이오센서에 도입하는 전략은 대상 물질의 감지 민감도를 획기적으로 향상시키는 등 보다 효과적인 바이오센서 개발을 가능하게 해 주고 있다. 이와 같은 나노-바이오센서는 그 기능의 고도화와 소형화로 인해 재택진단을 포함한 현장진단, 환경, 식품 및 국방 등의 분야를 중심으로 더욱 활용성이 높아질 것으로 예상되며, 2021년 세계시장은 106억 달러, 국내 시장은 약 1조 2천억 규모를 이룰 것으로 예측되고 있다(그림 1) [2].

 

4b728978feae03c0d1306ac254836442_1491214674_8942.jpg 

 

그림 1. 나노-바이오센서 시장 전망 [2]

 

여러 형태로 개발되는 나노-바이오센서 중 나노구조체의 특이적인 발색 성질을 활용한 발색형 바이오센서 기술은 기기를 사용하지 않고 육안으로 진단 결과의 확인이 가능하다는 면에서 가장 사용자 친화적이며 또한 간편한 현장 진단이 가능하기 때문에 최근 각광받고 있다. 이와 관련하여 질병 진단의 마커가 되는 DNA, 단백질, 세포 및 포도당과 같은 소분자 물질을 다양한 나노구조체가 도입된 발색형 바이오센서로 진단하는 기술 및 연구가 소개되었다[3]. 1996년 Chad Mirkin 그룹에 의해 Nature지에 보고된 금 나노입자를 비롯하여 폴리다이아세틸렌(polydiacetylene, PDA)과 같은 공액고분자(conjugated polymer), 그리고 발색반응을 일으키는 과산화효소 혹은 산화효소 활성을 지닌 나노구조체(나노자임)들이 보고되고 있다[4-7]. 이 글에서는 나노구조체에 기반한 발색형 바이오센서 기술에 대해 소개하고, 이들 기술을 기반으로 한 스마트 바이오센서 연구 동향에 대해 살펴보고자 한다.

 

2. 본론


2.1 금 나노입자에 기반한 발색 바이오센서 금 나노입자는 그 크기 및 응집된 정도에 따라 surface plasmon 및 색깔이 다르고 bulk 상태에서는 존재하지 않는 여러 특이적인 성질들을 가지고 있어서 그 활용범위가 점점 넓어지고 있다. 특히 발색 바이오센서를 구현하는데 주로 활용되는 원리는 진단대상물질의 존재 및 그 농도에 의존하여 금 나노입자의 응집 정도를 다르게 함으로써 red-to-blue 로의 색 변화를 일으키는 현상에 기반을 두고 있다. 1996년 미국 Northwestern 대학의 Chad Mirkin 그룹은 Nature지에 금 나노입자에 thiolated DNA를 부착한 후, DNA hybridization 및 melting temperature에 기준한 온도 조절을 통해 금 나노입자를 원하는 대로 분리 및 조합할 수 있다는 사실을 보고하였고 [4], 1997년 Science지에 이 원리를 활용하여 손쉽게 금 나노입자간의 거리 변화에 따른 색깔 변화만으로 목적 DNA의 존재유무를 밝혀 내는 발색 바이오센서를 발표하였다[8]. 이후 금 나노입자의 특이적인 비색적 성질을 활용한 다양한 발색형 바이오센서가 발표되었다.
금 나노입자를 이용한 발색센서는 입자간 응집을 유도하는 방법에 따라 두 가지 방식으로 나눌 수 있다. 먼저 DNA hybridization과 같은 화학적 응집력을 이용하여 변색을 일으키는 경우와 주로 salt 첨가를 통한 물리적인 인력 증가를 통해 입자간 거리가 가까워져 응집이 되는 경우가 있다. 각 방식을 통한 연구는 2000년대 들어 광범위하게 진행되고 있으며, 금 나노입자와 더불어 자성나노입자 등 다른 나노구조체를 동시에 활용한 바이오바코드 증폭 바이오센서 기술도 보고된 바 있다[9].
먼저 금 나노입자의 화학적 응집력을 이용한 발색 바이오센서는, 주로 DNA가 부착된 기능성 금 나노입자를 이용하여 연구가 진행되고 있다. 수용액에 잘 분산되어 있는 금 나노입자는 붉은 빛을 띠지만 수용액 내에서 응집되었을 경우에 최대 흡수 파장이 높아짐에 따라 용액은 푸른색-보라색을 띠게 된다. 이러한 원리를 이용하여 금 나노입자 표면에 검출하고자 하는 DNA와 상보적인 단일가닥 DNA를 결합하고 검출 DNA를 반응시켰을 때 금 나노입자에 붙어있는 상보적인 DNA 가닥과 검출 DNA가 서로 이중 나선 구조를 이루며 금 나노입자간의 응집을 유도한다. 따라서 검출 DNA가 없을 때는 용액이 붉은색을 띠지만, 검출 DNA가 있을 때는 보라색을 띠게 된다. 만약 DNA 이중나선구조가 형성된 금 나노입자 콜로이드 용액에 melting temperature 이상의 온도를 가하면, DNA의 이중나선 구조가 풀어지며 금 나노 입자의 색은 원래의 붉은빛으로 돌아오게 된다. 이러한 원리에 기반하여 DNA 뿐만 아니라 수용액 중에 포함되어 있는 수은 등의 이온 물질, 단백질 및 다양한 소분자 물질 진단용 발색 바이오센서가 보고되었다[3].
화학적 응집이 아닌 물리적인 인력 증가를 통해 금 나노입자의 응집을 유도하는 발색 바이오센서도 다양하게 보고되고 있다. 주로 salt 첨가를 통해 금 나노입자간의 정전기적 반발력을 약화시킴으로서 응집을 유도할 수 있으며, ssDNA의 금 나노입자 표면에의 흡착 등을 통해 응집현상을 억제함을 통해 선택적인 발색 진단이 가능하다. 이러한 원리를 이용하는 비색적 검출법은 매우 적은 양의 시료를 육안으로 간편하게 검출 할 수 있는 장점이 있다. 이와 같은 원리로 최근 i-motif DNA를 이용한 pH 분석도 보고되었다[10]. I-motif DNA는 사면체 입체구조로 이루어져 있고, 가장 큰 특징은 pH가 낮을 때 C잔기가 부분적으로 protonation되고 안으로 접혀서 독특한 구조를 이루게 된다는 것이다. 반면에 pH가 높을 때는deprotonation되어 ssDNA 형태로 풀어지게 된다. 따라서 pH가 높을 때 ssDNA 형태로 존재하기 때문에 salt가 가해지더라도 금 나노입자가 응집되지 않으며, 반면 pH가 낮을 시 나노입자가 응집되어 변색이 이루어지므로, 이 현상에 기초한 pH측정이 가능하다.

 

2.2 폴리다이아세틸렌에 기반한 발색 바이오센서


금 나노입자를 대신하여 발색 바이오센서에 적용될 수 있는 물질로서 폴리다이아세틸렌 (PDA)과 같은 공액고분자가 다양하게 연구되었다. PDA는 분자구조 내 비편재된 전자로 인해 국소적인 외부자극으로도 그 색이 청색에서 적색으로 비가역적으로 변하는 독특한 변색 특성을 가지고 있어서, 다양한 형태의 발색형 바이오센서를 구현하는 데 대상 물질로서 활용되고 있다. 또한 PDA의 경우 중합 과정 중 화학적 개시제나 촉매제가 포함되지 않기 때문에 오염 가능성이 없고, 합성 후 추가적인 정제 과정이 필요치 않다는 특이적인 장점이 있다.
PDA는 수용액 상에서 사용될 뿐만 아니라 Langmuir-Blodgett(LB) 필름 형태 혹은 섬유 형태로 제조되어 바이오 센서로 응용되어 왔다. Charych 연구진은 인플루엔자 바이러스를 특이적으로 인식할 수 있는 sialic acid 기능기를 지니는 PDA LB 필름을 만들어 인플루엔자 바이러스를 검출하였다[5]. Sialic acid 리간드는 바이러스 인식 기능을 결정하고 PDA backbone은 발색 요소를 제공하는 형태로 구성되었다. 그 결과 바이러스가 존재 할 때 PDA 필름의 색이 청색에서 적색으로 전이되어 육안으로 관찰할 수 있음을 보고하였다. 바이러스 검출 센서가 개발된 이후, 외부 자극에 의한 PDA의 특이적인 색 변화를 이용해 DNA, 단백질, 포도당과 같은 소분자 물질 및 미생물 등을 특이적으로 진단하는 다양한 발색형 바이오센서가 보고되었다[3]. 일례로 probe DNA가 수식된 PDA 혹은 양전하로 하전된 PDA를 활용하여 probe DNA에 상보적인 DNA 혹은 음전하를 띈 dsDNA를 검출하는 방법이 보고되었다[11, 12].

 

a5450f1b8c0eac32cbfbcfdd4991b117_1491027360_1884.jpg 

 

그림 2. Fe3O4 자성나노입자의 과산화효소 활성을 이용한 발색 반응 [13]

 

2.3 나노자임에 기반한 발색 바이오센서


최근 나노자임이라 부르는 효소활성을 보이는 나노구조체들에 대한 연구가 집중적으로 보고되고 있다. 기존 단백질효소는 특정 생물체에서 발현하여 정제과정을 거치기 때문에 대량생산이 불가능하여 그 생산가격이 일반적으로 비싸며, 주변 환경 및 시간에 의한 활성의 감소가 필연적으로 생기는 데 반해 나노자임은 화학적으로 대량생산이 가능하기때문에 생산가격이 크게 저렴하고, 외부환경 등의 변화에 대해 안정한 활성을 보인다. 나노자임의 활성은 그 표면 등에 존재하는 원소의 촉매활성 때문이라고 알려져 있으며, 현재까지 대부분 산화환원 반응에 국한되어 있다. 특히 기존 효소결합 면역흡수 진단(Enzyme-linked Immunosorbent Assay, ELISA)를 비롯한 다양한 바이오센서에 빈번하게 사용되는 horseradish peroxidase(HRP, 과산화효소)의 활성을 효과적으로 모사하는 나노자임들이 보고되면서, 이들 구조체들을 기반으로 한 다양한 발색형 바이오센서들이 보고되고 있다[6, 7].
여러 종류의 나노자임 중 발색 바이오센서를 구성하는 데 가장 많이 연구된 것은 2007년 Nature Nanotechnology에 과산화효소 활성을 지니고 있음이 보고된 Fe3O4 자성나노입자라 할 수 있다[13]. Yan 그룹은 기존의 과산화효소 대신 Fe3O4 자성나노입자를 효소로서 사용하였을 때 과산화수소의 존재 하에 3,3’,5,5’-tetramethylbenzidine(TMB),di-azo-aminobenzene(DAB), o-phenylenediamine(OPD)과 같은 기질을 산화시켜 특정 발색 반응이 일어남을 증명하였다(그림 2). 이 발견을 토대로 Fe3O4 자성나노입자 혹은 그 복합체를 과산화효소 대신 사용하는 다양한 바이오센서 및 면역진단 연구가 보고되었다. 특히 과산화효소 활성을 지니는 Fe3O4 자성나노입자는 포도당 산화효소 등 다양한 종류의 산화효소와 접목되어 산화효소의 대상 기질을 발색 진단하는 데 사용되었다[6]. 검출하고자 하는 대상물질이 시료에 존재할 때, 대상물질을 기질로 이용하는 산화효소의 반응을 통해 과산화수소가 발생하고, 과산화효소가 이를 환원시키면서 동시에 특정 기질을 산화시켜 발색 신호를 유도함으로써 대상 물질을 검출하게 된다.
Fe3O4 자성나노입자 외에도 다양한 종류의 나노입자들의 효소 활성이 보고되고 있다. 이들 중 산화세륨 (CeO2) 나노입자는 과산화수소 없이 기질을 산화시켜 발색 신호를 유도할 수 있으며, 또한 과산화수소만 존재할 때에는 자가산화를 통해 스스로의 색을 흰색에서 오렌지색으로 바꿀 수 있는 특이적인 성질로 인해 발색 바이오센서를 구현하는 데 각광을 받고 있다. 이 외에도 산화코발트, 산화망간, 산화바나듐 및 산화구리 등의 금속산화물 나노구조체와 플래티늄 및 금 나노입자와 같은 금속 나노입자, 그리고 탄소기반 나노구조체들의 산화환원 효소로서의 활성이 보고되었고, 이를 기반으로 한 다양한 발색 바이오센서가 보고되고 있다[6, 7].

 

2.4. 발색형 스마트 바이오센서로의 연구 동향


이와 같은 나노구조체에 기반한 발색 바이오센서 기술을 현장형 진단키트에 적용하고 또한 그 결과의 즉각적인 전송을 통해 스마트 바이오센서로 활용하는 연구가 보고되고 있다. 대표적인 나노입자가 적용된 lateral flow 방식의 현장진단키트인 임신진단키트의 경우 항원-항체 반응을 통해 test line에 결합된 금 나노입자의 색을 통해 빠른 시간 안에 임신 유무를 확인할 수 있는 방식으로 현재 널리 사용되고 있다. 최근에는 단순히 금 나노입자의 색을 통해 확인하는 것이 아닌 Fe3O4 나노자임의 발색 반응을 통해 그 신호를 증폭해 100배 더 민감한 키트를 구성할 수 있음이 보고되었다[14]. 이와 같은 키트는 현장에서의 간편한 진단이 절실히 요구되는 에볼라 바이러스에 대해 그 유용성이 검증되었으며, 임신진단키트로의 응용도 보고되었다[15]. 특히 이와 같은 현장진단키트의 결과는 스마트 폰의 카메라를 이용해 이미지화된 후, 이미지 처리용 앱을 이용해 현장에서 간편히 정량화될 수 있고, 또한 전송되는 스마트 바이오센서로의 응용 가능성이 보고되었다(그림 3) [15]. 이 외에도 다양한 광학분석장비와 발색 바이오센서를 결합해 그 신호를 손쉽고 정확하게 정량화하여 중앙센터에 전송하는 시스템에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

 

a5450f1b8c0eac32cbfbcfdd4991b117_1491027531_1638.jpg 

 

 

그림 3. a) 금 나노입자 및 b) 나노자임의 과산화효소 활성을 활용한 lateral flow assay 및 스마트 폰을 활용한 진단결과 전송 [15]

 

3. 결론


발색 바이오센서는 분석기기 없이 육안으로 현장에서 신속하게 진단 결과의 확인이 가능하다는 점에서 가장 사용자 친화적인 기술이며 실제 대중적인 수요가 높은 바이오센서 형태이다. 금 나노입자, 폴리다이아세틸렌과 같은 공액고분자 및 다양한 나노자임과 같은 나노구조체에 기반한 발색 바이오센서 기술은 다양한 생체물질의 민감한 진단에 효과적으로 활용되어 오고 있으며, 특히 여러 나노입자들의 특이적인 성질과 장점을 융합하여 하나의 통합된 시스템으로 개발하는 연구가 최근 광범위하게 진행되고 있다. 특히 이와 같은 발색 바이오센서 기술은 스마트폰을 비롯한 IoT와 접목되어 기존의 감지 기능을 넘어서, 현장에서의 정보 전송을 통해 중앙분석센터와의 정보 공유 및 처리가 가능한 스마트 바이오센서 시스템을 구축하는 분야로 확장되고 있다. 이와 같은 연구 및 개발을 통해 향후 나노구조체에 기반하여 구축되는 발색 바이오센서가 기존의 사용자 친화적인 현장진단 목적과 더불어 스마트 센서 분야로 확장되리라 기대한다.

 

참고 문헌


1. LG Bussiness Insight 4, 8 (2009)
2. KISTI Market Report 50 (2016)
3. Song Y, Wei W, Qu X, Adv. Mater. 23, 4215-4236 (2011)
4. Mirkin CA, Letsinger RL, Mucic RC, Storhoff JJ, Nature 382, 607-609 (1996)
5. Charych DH, Nagy JO, Spevak W, Bednarski MD, Science 261, 585-588 (1993)
6. Wei H, Wang E, Chem. Soc. Rev. 42, 6060-6093 (2013)
7. Shin HY, Park TJ, Kim MI, J. Nanomater. 756278 (2015)
8. Elghanian R, Storhoff JJ, Mucic RC, Mirkin CA, Letsinger RL, Science 277, 1078-1081 (1997)
9. Nam JM, Thaxton CS, Mirkin CA, Science 301, 1884-1886 (2003)
10. Chen C, Song GT, Ren JS, Qu XG, Chem. Commun. 6149-6151 (2008)
11. Wang CC, Ma ZF, Anal. Bioanal. Chem. 382, 1708-1717 (2005)
12. Jung YK, Kim TW, Kim J, Kim JM, Park HG, Adv. Funct. Mater. 18, 701-708 (2008)
13. Gao L et al., Nat. Nanotechnol. 2, 577-583 (2007)
14. Duan D et al., Biosens. Bioelectron. 74, 134-141 (2015)
15. Kim M, Kim MS, Kweon SH, Jeong S, Kang MH, Kim MI, Lee J, Doh J, Adv. Healthcare Mater. 4, 1311-1316 (2015)