연구팀 소개
김문일, 권오석 박사 연구팀
연구기관/연구책임자 : 한국생명공학연구원/김문일, 권오석
- 안녕하세요. 연구팀 소개를 부탁드립니다.
- 우리 연구팀은 4명의 박사급 연구원과 1명의 석사급 연구원 및 2명의 박사과정 학생으로 구성되어 있습니다. BT를 중심으로 다양한 기술 간의 융합 연구가 이루어지고 있으며, 구성원 모두가 연구 주제에 흥미와 열정을 가지고 즐겁게 연구하는 연구실입니다.
연구 주제는 크게 이종 기술 간의 인터페이스 영역에서 3가지 종류의 융합기술과 관련된 연구를 수행하고 있습니다. 세부적으로는, 첫째, 바이오 기술과 나노 기술의 융합으로서 그래핀 FET 센서 기반 바이오 센싱; 둘째, 바이오 기술과 인지 기술의 융합으로서 제어명령 기반 동물 바이오센서; 셋째, 바이오 기술과 정보 기술의 융합으로서 디지털 DNA 메모리입니다. 본 연구실은 이처럼 바이오를 중심으로 다학제 간 연계를 통해 도전성이 큰 신개념 융합 연구의 모델을 제시하고 있습니다. - H-GUARD에서는 구체적으로 어떤 연구를 하시나요?
- 광학/전기 기반 감염성 병원체 검출 플랫폼 기술을 개발하고 있습니다. 좀더 구체적으로는, 감염성 병원체의 고속/고감응 모니터링을 위한 확장 게이트 (Extended Gate) 기반 전계효과 트랜지스터 (Field-Effect Transistor, FET) 센서 시스템 및 인플루엔자 바이러스의 신속/조기 검출을 위한 이분자 형광 프로브 시스템을 개발하고 있습니다.
확장 게이트 FET 나노바이오센서는 감염성 질병 현장진단 센서로 활용을 추진하고 있으며, 이분자 형광 프로브 시스템은 독감 바이러스 검출뿐만 아니라 뉴라미니데이즈 (Neuraminidase, NA) 효소 활성을 가진 다양한 바이러스의 모니터링에 응용이 가능한 시스템입니다. - [확장 게이트 FET 센서 시스템]은 어떤 기술 인가요?
- 확장 게이트 FET 센서 시스템은 전계효과 트랜지스터를 기반으로 센서의 감지부를 확장시켜 감염성 바이러스나 박테리아를 현장에서 미미한 양까지 신속하게 검출 및 모니터링 할 수 있는 고성능 전기적 센서 플랫폼입니다.
확장 게이트 FET는 기존의 면역진단 기반의 센서와 비교하여, 검출 속도가 빠르고 실시간으로 확인 할 수 있는 장점이 있습니다. 또한, 기존의 FET 센서 플랫폼과 유사하지만, 확장된 센서 감지부만을 교체하여 사용할 수 있고, 유연한 기판 소재를 활용할 수 있기에 생산 단가 절감 및 제작에 용이한 장점이 있습니다.
FET의 고감도 특성을 이용하여, 감지부의 바이오 탐침을 다양하게 고정함으로써 바이러스, 박테리아 외의 다양한 바이오 물질을 검출할 수 있기에 체외 분비물이나 혈액 등을 활용하여 인체 질병진단 분야에도 응용할 수 있습니다.
▲ 확장 게이트 기반 미세유체 GFET 시스템
- [이분자 형광 프로브 시스템]은 어떤 기술 인가요?
- 이분자 형광 프로브 시스템은 이분자 형광 상보법 (BiFC, Bimolecular Fluorescence Complementation)을 이용하여 인플루엔자 바이러스를 현장에서 신속하게 진단/모니터링 할 수 있는 단백질 상호작용 또는 구조변화 기반의 형광 검출 시스템입니다.
따라서, 기존의 Influenza Antigen Detection Test (RIDT), RT-PCR, Real-time RT-PCR 과 같은 다양한 신속검사 방법들과는 검출 방식이 상이하고, 기능성 측면에서 면역진단 키트 또는 분자진단 키트와 상호보완적 기능 및 인플루엔자의 사전 예방 또는 감염 확진을 위한 2차적 검사 툴로서 기여할 수 있을 것으로 생각되고 있습니다.
또한, 이분자 형광 프로브 시스템은 체외진단 분야의 연구뿐 아니라, in vivo 단백질-단백질 상호작용 및 구조변화와 같은 작은 환경의 변화도 감지할 수 있어서 생체현상의 연구개발 분야에도 활용될 수 있습니다.
▲ 인플루엔자 바이러스 검출용 이분자 형광 프로브 시스템
- 자세한 설명 감사합니다. 그럼 마지막으로, 앞으로의 포부 한 말씀 부탁드립니다.
- 우리나라 COVID-19 확진자가 현재 14만 8천명을 넘어섰습니다. 이와 같은 각종 바이러스 감염병을 저렴하고, 빠르고, 정확하게 진단할 수 있는 기술이 절실히 요구되는 시점입니다. 따라서 효율적으로 감염 확산을 방지하고 치료 효율을 극대화하도록, 고병원성 바이러스를 검출함에 있어 진단 민감도가 향상되고, 반응시간이 빠른 이분자 형광 프로브 시스템의 실용적 사용을 위해 최선을 다하겠습니다. 이 검출 시스템이 실용화가 된다면 누구든지, 언제, 어디서나 빠르고 편리하게 감염성 바이러스 검사를 진행할 수 있을 것입니다. 물론 자가 검사에 대한 법적, 정책적, 제도적 장치가 우선적으로 마련이 되어야겠죠.
이 뿐만 아니라, 확장 게이트 기반 GFET 나노바이오센서의 성공적인 개발로 개인의 건강 모니터링을 비롯해서 호흡기 감염병에 대한 현장 다중진단의 길을 열어 100세 건강 장수의 염원을 이루는데 일조할 수 있도록 연구개발에 열심을 다하도록 하겠습니다.
강대준 교수 연구팀
연구기관/연구책임자 : 성균관대학교/강대준
- 안녕하세요. 연구팀 소개를 부탁드립니다.
- 우리 연구팀은 1명의 박사 후 연구원과 13명의 석-박사 통합과정, 그리고 2명의 학부 연구생으로 구성되어 있습니다. 나노과학기술의 다양한 연구분야를 연구하고 있는데, 특히 향후 미래산업의 큰 비중을 차지할 바이오-나노 소자 연구 개발에 집중하고 있습니다. 연구원들과 지도교수 간의 깊은 토의과정을 통해 창의적인 연구 결과물들을 생산하고 있으며, 국내외 연구진들과의 협업을 통해 세계 최정상급 결과 및 기술 개발을 위한 연구에 매진하고 있습니다.
나노바이오 소자의 성능 개선을 위해서는 무엇보다 표면 플랫폼 개발과 제작이 중요합니다. 이를 위해 우리 연구팀은 ‘유체 박막의 전기수력 불안정성 제어’라는 독창적인 방법을 통해 기존 기술과는 전혀 다른 방식으로 표면 미세구조 제어 및 이를 응용한 바이오 소자 플랫폼 개발 및 개선에 힘쓰고 있습니다. 연구는 본 과제 참여 인원 이외의 다른 연구원들도 함께 자유롭게 머리를 맞대어 서로의 아이디어를 공유하는 형식으로 진행되고 있습니다. 또한, 분석이 어려운 결과는 수치해석 및 시뮬레이션을 통해 이해를 시도하거나 지도교수와의 자유로운 토론을 통해 바이오-나노 소자 표면 플랫폼 개발 및 개선이라는 중요한 목표를 향해 연구에 매진하고 있습니다. - H-GUARD에서는 구체적으로 어떤 연구를 하시나요?
- 전기수력 불안정성 기반의 바이오센서 표면 플랫폼 설계 및 개발을 하고 있습니다. 고 전계 환경에서 형성된 미세구조물을 이용하여 표면 젖음 제어 및 라만 신호 증폭을 연구하고 있습니다. 자세히는 표면상 선택적인 친수성/소수성 제어를 통한 임상검체 운송도 향상과 극미한 임상검체 초정밀 탐지를 위한 새로운 방식의 표면증강라만산란 신호 센서 연구에 매진하고 있습니다.
최종적으로는, 액상/기상/고상에 구애받지 않고 임상검체의 효과적인 포집/운송/탐지를 손쉽게 실현하는 기능성 바이오센서 표면 플랫폼 제작을 달성하는 것입니다. 특히, 복잡한 공정단계나 외력 없이도 가볍고 손쉬운 라만 프로브 탐지 센서를 상용화시켜 H-GUARD 사업의 핵심이라 할 수 있는 질병 탐지 조기 시스템 구축 및 실용화를 앞당기는 연구를 목표로 진행하고 있습니다. - 사업화 유망성과로 꼽히는 [고 전계 전기수력 유도 및 제어 시스템]은 어떤 기술인가요
- 극미한 임상검체 및 유해인자를 초고감도로 탐지하기 위해서는 일반적으로 플라즈모닉스나 액적 운송/포집 기술 등이 이용되는데, 이때 바이오센서 성능 향상을 위해서는 손쉽고 저렴한 방식으로 미세구조체를 표면 위에 형성하는 공정 기술이 필수적입니다.
그러나, 현재까지 다양한 나노 공정 방식이 개발되었지만, 제어 가능한 크기나 형상, 그리고 균일한 대면적 생산 등의 문제로 기술적 어려움을 겪고 있습니다. 이에 우리 연구팀은 이전부터 전기수력 불안정성을 이용한 미세구조체 제작기술에 주목하였는데, 이 기술은 단지 전기장 세기의 공간적 제어를 통해 다양한 미세구조체를 제작할 수 있다는 큰 기술적 잠재성을 가지고 있습니다. 그러나 이 기술의 치명적인 단점은 전기수력 불안정성에 기여하는 공정매개변수 제어가 제한적이라는 것입니다.
우리 연구팀에서는 고 전계 환경에서 해당 공정매개변수 영향력이 완화된다는 사실에 주목하여 무려 10년이 넘는 연구 기간을 거치면서 ‘고전계 전기수력 유도 및 제어 시스템’을 개발하였습니다. 이 기술은 손쉬운 미세구조 제어를 성취하는데, 이를 응용하여 임상검체의 효과적인 포집/운송/탐지 등의 다기능성 미세구조체 제작을 실현합니다.
최근에는 극미한 유해물질의 라만 신호 탐지 성능을 일반 종이나 컵, 와이퍼, 그리고 면봉 등에 실현하는 새로운 바이오센서 플랫폼을 제시하였는데, 남은 연구 기간 해당 바이오센서 플랫폼의 상용화를 넘어 일상화를 위한 도전을 진행하고 있습니다. - 그럼 연구팀에서 생각하는 해당 기술의 차별화된 경쟁력은 무엇인가요?
- 우리 연구팀 기술의 가장 큰 장점은 원하는 주어진 어떠한 미세구조체도 전극 이용에 따라 초정밀 복제가 가능하며 이에 더 나아가 추가적인 표면구조 제어도 가능함에 따라 맞춤형 바이오센서 표면 플랫폼 설계 및 제작을 성취할 수 있다는 점입니다.
고전계 전기수력 유도 방식은 넓은 공정매개변수를 이용하여 표면구조의 미세한 제어를 통해 표면에너지를 효과적으로 조절할 수 있습니다. 이때, 표면에너지 분포에 따라 액적의 움직임을 외부 구동력 없이 조절 가능한데, 이러한 표면 특성은 유해물질 운송도 및 포집을 효과적으로 향상할 수 있습니다.
또한, 우리 연구팀은 극미한 유해물질 탐지를 위해 별도의 복잡한 샘플링 과정 없이도 단순한 ‘문지름’을 통한 해당 물질 포집 및 라만 신호 기반의 검출이 가능한 바이오센서 유연 플랫폼 제작 방식을 개발하였는데, 그 핵심은 기존 미세구조체 제작 공정에서 불가한 특이 나노 구조체를 오직 고전계 전기수력 제어에 가능하다는 것에 있습니다.
특히, 바이오센서 플랫폼의 다변화를 꾀하기 위해 여러 유년기판 위에 라만 신호 탐지 구조체를 제작하는 연구를 진행하고 있는데, 이때 전기수력 불안정성 유도에 따른 미세구조 제어 기법과의 상호보완성을 깊이 연구하고 있습니다. 저렴하게 맞춤형 미세구조체를 제작할 수 있다는 본 기술의 이점과 유연 센서 플랫폼이 서로 결합한다면 탐지 성능의 다변화와 일상 가운데 유해물질을 조기 진단할 수 있다는 기술적 요구를 만족시킬 수 있을 것으로 생각합니다.
▲ 고감도 라만 신호 기반 유해물질 검출 유연 플랫폼
- 자세한 설명 감사합니다. 그럼 마지막으로, 앞으로의 포부 한 말씀 부탁드립니다.
- 최근 코로나 바이러스에 의한 팬데믹 사태에서 알 수 있듯이 유해 바이오 인자를 조기에 높은 정확도로 진단하는 기술은 단지 의료 기술 및 사업을 넘어 국가 사회적인 차원에서 극히 중요한 위치를 차지하고 있습니다. 그러나 현재까지 대부분의 바이오센서 기술 및 장비 등은 외국의 원천기술에 의존하고 있는 실정이기에 새롭고 혁신적인 원천기술의 국내화가 절실한 시점입니다. 우리 연구실은 전기수력 불안정성이라는 독창적인 기술적 해법을 통해 고성능 바이오센서 표면 플랫폼의 다양화와 상용화를 이끌고자 합니다. 더 나아가서 국내 연구기술을 통한 세계 바이오센서 시장 선점을 위해 우리 기술이 앞으로 해나갈 역할이 무궁하다고 생각하기에, 현재 위치에 멈추지 않고 꾸준하게 연구에 매진할 것입니다.
