바이오칩, 바이오센서의 시장 동향
조준경* 최준휘** 정현섭***
생체에서 감각기관이라 하고 이와 유사한 생물 세포를 기계화하거나 소자로 만든 경우에 이를 바이오칩, 바이오센서라고 한다. 바이오칩, 바이오센서가 의료, 환경, 식품, 산업, 군사 등의 분야에서 폭 넓게 이용 되어 질 것으로 전망되는 가운데 바이오칩 , 바이오센서의 개념과 시장 동향을 알아보자. ▧
I. 서 론
바이오칩, 바이오센서, 바이오MEMS에 응용되는 차세대 융합 기술인 바이오테크놀로지(Nanobio-technology: NBT)는 인간의 질병진단과 치료에 혁신적인 진보를 가져와 ‘인간 생명연장의 꿈’을 실현하기 위한 중요 기술로 인정되고 있다.
본 고에서는 바이오칩, 바이오센서의 개념과 시장동향, 제품사례에 대해 알아본다.
II. 바이오칩의 개념
바이오칩이란 DNA, 단백질, 항체, 당쇄 또는 세포 등의 생체물질들을 유리, 실리콘, 고분자 등의 고체기질 위에 고밀도로 집적화한 생체정보 감지소자로 극 미량의 시료를 초고속으로 분석하는데 매우 적절한 기술로 유전자 발현 양상, 유전자 결함, 단백질 분포 등의 생물학적 정보를 얻거나 생화학적 동정 및 반응속도 또는 정보처리 속도를 높이는 도구나 장치를 말한다.
바이오칩은 크게 마이크로어레이(mircroarray)와 마이크로플루이딕스(microfluidics) 칩으로 구분할 수 있다. 마이크로어레이는 수천 혹은 수만 개의 DNAㆍ단백질, 탄수화물, 펩타이드 등을 일정간격으로 배열하여 붙이고, 분석대상 물질을 처리하는 결합 양상을 분석할 수 있는 칩(DNA 칩, 단백질 칩)이고, 마이크로플루이딕스 칩 또는 랩온어칩은 미량의 분석대상 물질을 흘려보내면서 칩에 집적되어 있는 각종 생물분자 혹은 센서와 반응하는 양상을 분석 할 수 있는 칩이다.
1. DNA 칩
- 대규모 유전자 발현 분석에 의해 제약업체에서 신약 개발 도구로, 그리고 질환 진단용으로 주로 사용됨
- 장래 도래할 개인의 SNP(Single Nucleotide Polymorphism) 정보를 이용하여 개인맞춤 유전정보에 따라 약을 처방하는 맞춤의약 시대에 필수적임
- 칩을 이용하여 질병 진단을 하기 위해서는 질병과 관련되는 바이오 마커 발굴 및 확보가 매우 중요
- 마이크로 어레이 형성을 위해 Pin, 잉크젯, 포토리소그래피, electronic addressing 기술 등이 이용됨
- 소량의 시료에서 유전자 검사를 할 경우에, DNA 증폭이 필요함. PCR(polymer chain reaction), SDA(strand displacement amplification) 등이 있음
- 신호 검출을 위해서는 DNA 혼성화를 통해서 주로 형광 혹은 전기화학적 감지 방식이 이용됨
2. 단백질 칩
- 주로 질병이 단백질 단위에서 많이 진행하기 때문에 질병 진단, 신약 발굴, 검증 및 후보물질 탐색(screening), 환경 모니터링 등에 이용됨
- 단백질은 3차원 구조로 칩 표면에 안정하게 활성을 유지하게 고정화시키는 것이 중요함
- 증폭이 불가능하고, 극소량인 경우가 많아 고감도 칩이 필요함
- 검출을 위해서는 항원-항체간의 특이적 결합을 이용하여 형광, 화학발광, SPR 감지 방식이 주로 이용됨
3. 마이크로플루이딕스(랩온어칩)
- 마이크로어레이 칩에 MEMS기술을 이용하여 초소형, 고감도의 휴대형 진단기를 구현하는 기술로서, 실질적으로 U-헬스케어 서비스 보편화에 반드시 필요함
- 칩 표면에 용액이 흐를 수 있는 미세 채널 네트워크, 생체시료, 처리, 반응제어, 검출 등을 MEMS 공정을 사용하여 하나의 칩에 집적화시킴
- 소량의 시료 채취 및 시료 분리 등이 용이한 시료처리 기술이 중요함
- 광학적, 전기화학적 검출 원리가 결합되고, 측정 시스템이 소형화될 수 있는 형태의 새로운 검출 기술이 중요함
- 무선 통신 등 기존 통신망과 연계가 가능한 소형화된 단말기 형태의 검출 모듈용으로 제작 가능하여, 다양한 건강정보 서비스를 제공할 수 있음
III. 바이오센서의 개념
- 바이오센서란 생체감지물질(bioreceptor)과 신호 변환기(signal transducer)로 구성되어 분석하고자 하는 물질을 선택적으로 감지하는 장치
- 생체감지물질로는 특정 물질과 선택적으로 반응 및 결합할 수 있는 효소, 항체, 항원, 렉틴(lectin), 호르몬 수요체(hormone receptor) 등이 있음
- 신호 변환 방법으로는 전기화학(electrochemical), 형광, 발색, SPR(surface plasmon resonance), FET(field-effect transistor), QCM(quartz crystal microbalance), 열센서 등 다양한 물리화학적 방법을 사용
IV. 시장 동향
1. 바이오칩
- 바이오칩 분류별 세계 시장 2007년 8억 달러 예상
- 2002년 DNA chip 시장은 약 4.2억 달러로 연평균 약 12%의 성장률을 보임
- Protein chip 시장 규모는 1,500만 달러로 DNA chip보다 상대적으로 작으나 27%의 성장률로 시장 확대가능성 잠재
- 랩온어칩 시장은 2002년 집계가 되지 않았으나 2007년 시장 규모는 1,000만 달러 예상
2. 바이오센서
- 세계 바이오센서 시장 2011년 43억 달러 상회 전망
- 2001년 19억 달러 시장 규모에서 2011년 43억 달러 규모 형성
- 전년 대비 시장 성장률은 2002년 6.5%에서 2011년 11.9%로 증가 전망
- 2004년에서 2011년 사이의 누적 연평균 성장률은 9.4%로 예상
가. 제품 사례 -해외시장-
(1) 광도법을 이용한 혈당측정 센서
광도법은 글루코스가 산화될 때 색의 변화를 가져오는 색소원을 사용하여 색의 변화 정도를 광도계를 사용하여 빛의 반사도 또는 투과도를 측정하여 혈당을 측정하는 방법
(2) 전기화학법을 이용한 혈당 측정 센서
전기화학법은 글루코스가 산화될 때 산소 또는 산화된 매개체가 과산화수소 또는 환원된 매개체로 바뀌고 다시 산화되어 원래의 산화된 형태로 되돌아 올 때 발생하는 전자를 전극을 이용하여 흐르는 전류를 측정하여 혈당을 측정하는 방법
(3) 핏취를 이용한 혈당측정 센서
핏취를 이용하는 혈당측정법은 조직액의 당의 양을 측정하여 실제 혈액 속 당의 양을 연관시키는 것으로 혈액 속의 혈당 변화와는 약 15분에서 20분 정도의 시간차를 가지고 나타낸다.
대표적인 상품으로는 Cygnus사가 개발한 글루코워치가 있다.
나. 재품사례 -국내 시장-
국내 바이오센서 개발업체들이 관심을 가지고 있는 분야는 의료용 바이오센서이다. 그 중 가장 많은 부분을 차지하는 것은 혈당측정기인데 올메디쿠스사의 ‘글코닥터’는 순수한 국내 기술로 만든 혈당 측정기이다.
㈜바이오첵에서는 무체혈 혈당측정기를 개발하였는데 마치 글쿠워치같이 생긴 이 측정기는 전기 삼투압을 이용하여 추출한 체액에서 글쿠코스의 값을 산출해 내는 원리로 되어 있다.
V. 결 론
바이오센서, 바이오칩은 의료, 환경, 식품, 산업, 군사 등의 분야에서 폭 넓게 이용되어 질 것으로 전망되고 있다. 바이오센서, 바이오칩에 대한 수여가 가장 많은 분야는 의료 부문으로 의료용 바이오센서 , 바이오칩은 향후에도 바이오센서, 바이오칩 산업 성장의 견인차 역할을 수행해 줄 것으로 예상되고 있다.
하지만 아직까지 사회적인 인식과 지원이 매우 부족한 상태이고 아직도 많은 부분이 수입, 공급되고 있어 수입대체를 위한 기술개발 및 국내 기업의 지원 육성이 필요한 것으로 파악되고 있다. 이에 대한 정부의 적극적인 투자가 요구된다.
<참 고 문 헌>
[1] 손종구, 이상필, 김상우, 김종만, ‘바이오센서’ KISTI 심층정보분석보고서
[2] “바이오칩 , 바이오센서 빛 바이오 MEMS,” 생명공학정책연구센터 BT 기술동향보고서
[3] 김선희, “나노기술을 이용한 바이오센서”
[4] 이대식, 최창억, “IT-BT 융합기술: P-라이프케어와 바이오칩,” ETRI CEO Information 제29호
[5] 박승창, 남상엽, 류영달, 이기혁, 김완석 “유비쿼터스 센서 네트워크 기술”,
[6] ㈜바이오첵 홈페이지(www.bio-chec.com)
[7] 올메디쿠스 홈페이지(www.allmedicus.com)
[8] Cygnus사 홈페이지(www.glucowatch.com)