'랩온어칩', 바이오 산업의 핵심 도구로 부상

[산업일보]
MEMS 기술은 생물학 실험의 전과정을 동전만한 크기의 하나의 칩으로 집적화해 ‘들고 다니는 실험실’을 가능케 할 전망이다. 이와 관련해 바이오멤스의 대표격인 ‘랩온어칩’(Lab-on-a-chip)의 성장 가능성을 중심으로 바이오멤스 시장을 짚어본다.

한국특허정보원의 ‘Lab-on-a-chip의 특허동향’(2004) 보고서에서 인용한 D&MD(Bio-chip 시장동향) 자료에 의하면, 2006년까지 DNA 분야는 33%, 랩온어칩 분야는 102%라는 놀라운 시장 확대를 예고하고 있다.
이처럼 고성장이 예고된 바이오칩 시장에 퓨전화 바람이 거세다. 특히 정보기술(IT)-바이오기술(BT)-나노기술(NT)의 융합 결정체로 일컬어지는 바이오칩에 초소형 MEMS 기술이 접목되면서 그 성장 속도는 급물살을 타고 있다.

생명과학분야의 핵심 기술, 바이오멤스

바이오칩(Biochip)이란 유리, 실리콘, 나일론 등의 재질로 된 작은 기판 위에 DNA, 단백질 등의 생물 분자들을 결합시켜 유전자 발현 양상, 유전자 결함, 단백질 분포, 반응 양상 등을 분석해 낼 수 있는 생물학적 마이크로칩을 말한다.
MEMS 산업 내에서 바이오칩 등을 포함한 생물공학과 관련된 분야를 바이오멤스(Bio-MEMS)로 분류하는데, 이는 생물학 또는 의학 분야에 응용하기 위한 미세전기기계시스템을 지칭한다. 바이오멤스는 주로 바이오메디컬 분야(초소형 내시경, 의료용 미세 밸브, 액티브 도뇨관, 심박동조절기 등)와 바이오칩 분야(DNA칩, 단백질칩, 세포칩 등), 그리고 마이크로플루이딕스(microfluidics)를 기반으로 한 랩온어칩(Lab-on-a-chip)에 응용되고 있으며, 앞으로 보건의료, 제약 및 타 산업에 커다란 파급효과를 미칠 것으로 예상된다.

거대한 실험실을 '하나의 칩'으로 집적화

MEMS 기술이 접목된 바이오칩은 크게 마이크로어레이칩(예:DNA칩,단백질칩)과 랩온어칩으로도 불리는 마이크로플루이딕스칩으로 구분된다. 이 중 바이오멤스의 대표적 예인 랩온어칩(Lab-on-a-chip)은 멤스 기술을 기반으로 한 생물학 실험의 전과정을 동전만한 크기의 하나의 칩 상으로 통합함을 의미한다.
일반적인 바이오칩 실험 과정에서 사용되는 시료와 반응액을 미세채널 내에서 매우 소량 반응시키고 분리함으로써 전체 과정을 매우 작은 공간 내에 집적화한 것이다.

MEMS 기반의 랩온어칩은 별도의 값비싼 분석장치를 필요로 하는 DNA칩이나 단백질칩과는 달리, 생체에서 채취한 혈액을 칩 위에 떨어뜨리기만 하면 혈액이 자동처리과정을 거쳐 칩 위의 시료와 반응하고 그 결과를 검출, 분석한 데이터까지 한번에 얻을 수 있다. 이처럼 미세유동기술을 응용해 유체의 극소량 제어ㆍ분석이 가능한 랩온어칩은 소형화, 대량생산에 따른 저가격화, 장비운용의 효율화 및 측정 분야의 확대가 가능하다는 점에서 큰 의의를 지닌다. 랩온어칩은 극미소량의 시료만으로도 다양한 농도로 실험할 수 있고 정확하고 빠른 결과를 얻을 수 있다. 또한 기존에 대형 장비로만 가능했던 실험 과정이 작은 소자 하나로도 충분해져 자원과 에너지 절약은 물론 휴대용으로도 개발 가능해 최근 대두되고 있는 모바일 환경이나 유비쿼터스 환경에 활용할 수 있고, 인체에 삽입해도 부담이 없다는 장점이 있다.

DNA, 단백질, 세포 등 생체를 구성하는 기본 물질에 대한 대량 고속 진단과 분석이 가능한 랩온어칩은 신약 개발 과정을 크게 단축할 수 있을 뿐만 아니라, 사람의 골수에서 줄기세포를 뽑아내 특정 세포로 분리, 죽어가는 세포를 재생하는 세포대체치료법의 효과를 기대할 수 있다. 또한 대량의 세포를 짧은 시간 안에 파악해 유전자를 이식하거나 내분비액이나 약품을 인체의 미세한 부분에까지 공급하는 역할도 맡고 있다.

초기에 바이오칩은 영화의 소재로 이용될 만큼 폭발적인 관심을 끌었으나 게놈 프로젝트가 완료되고 관련 연구가 심화되면서 그 한계가 많이 밝혀진 바 있다. 특히 개개 유전자의 발현과 실제 질병과의 상관성이 떨어진다는 증거들이 나오면서 사람들의 관심은 DNA칩에서 점차 유전자가 발현된 형태인 단백질칩으로, 보다 더 고도화된 형태인 세포칩으로 옮겨지고 있다. 궁극적으로는 이러한 바이오칩을 운영하는 데 필요한 일련의 공정과정을 하나의 소자 내로 통합할 수 있는 랩온어칩으로 향하고 있는 추세이다.

디지털바이오테크놀러지의 정석 박사는 “혈액과 같이 인체에서 배출되는 시료를 대상으로 할 경우, 다량의 혈액이 필요했던 분석이 단 한 방울의 혈액으로 가능해진다면 산업적 가능성은 매우 높아진다”며 “계산기나 주판을 하나의 칩으로 통합했던 컴퓨터칩이 우리 사회에 미친 영향만 생각해봐도 큰 생물학 실험실을 하나의 칩으로 통합하는 랩온어칩이 미래를 얼마나 바꿀 수 있을지 쉽게 상상이 갈 것”이라고 랩온어칩의 가능성을 진단했다.

국내 연구 초기 단계...정부 지원과 투자 기대

국내 바이오멤스 기술의 경우 학계 및 국책연구소를 중심으로 초기 연구개발 단계에 머물러 있을 뿐, 아직 실용화는 미진한 상태다. 90년대 정부가 G7 프로젝트를 통해 MEMS에 대한 본격적인 지원에 나선 이후, 서울대학교 마이크로시스템기술센터를 시작으로 많은 산업기술기반센터가 생겨났다. 특히 산업자원부 지원으로 한국 BioIT파운드리센터가 서울, 광주, 부산 등 3개 지역에 설립돼 지역 관련 기업들의 신제품 개발이 진행 중이다. 최근에는 바이오멤스 기술이 일부 기업에 성공적으로 이식돼 삼성, LG 등 대기업을 비롯해 학교나 국책연구소에서 성장한 일부 벤처기업들이 몇몇 제품을 출시하고 있다. 이 중 (주)디지털바이오테크놀러지는 최근 SKC와 협력해 플라스틱 랩온어칩의 양산기술을 구축하고, 지난해에는 관련 제품들을 미국과 일본에 수출한 바 있다.

현재 바이오멤스 기술은 생명과학 분야의 연구 업적을 산업적으로 활용, 응용하는 필수 핵심 도구로써 그 중요성이 점차 부각되고 있다. BT-IT-NT 등의 융합추세에 맞춰 바이오멤스에 많은 관심이 모아지면서 관련 투자도 기대해 볼 만하다.
디지털바이오테크놀러지의 정석 박사는 “국내 바이오멤스 시장이 경쟁력을 갖기 위해서는 산업기술센터들에 보다 많은 정부지원이 이루어지고, 한양대학교 마이크로바이오칩센터나 KAIST의 나노팹과 같이 현재 구축돼 있는 많은 연구센터들간의 교류가 활성화되는 것이 시급한 과제”라고 전했다.


자료제공 : (주)디지털바이오테크놀러지(사진포함), 크로바이오칩센터
미디어다아라 이경옥 기자(withok2@daara.co.kr)