의학분야 가장 큰 영향 기대

나노바이오텍 개론

나노기술은 물질을 나노수준에서 분석·조작하고 제어하는 과학과 기술을 지칭하는데, 1965년도 노벨물리학상 수상자인 Richard P. Feynman이 Cal. Tech.에서 행한 1959년도의 강의 "There"s plenty of room at the bottom(미세 저변에 엄청난 잠재력이 있다)"에서 처음 예견되었다.

그 후 STM(Scanning Tunneling Microscopy), AFM(Atomic Force Microscopy) 등 기술의 개발로 머리카락 직경의 약 5만분의 1 단위인 나노미터 수준에서 물체 표면을 관찰할 수 있게 되고 부품들을 나노 단위에서 제작하고 집적화한 NEMS(Nano Electro Mechanical System)의 개발, 전자빔을 이용한 식각기술(Electron Beam Lithography) 등이 가능해지면서 이제 현실의 과학기술로 다가서게 되었다.

전통 미세기술이 확률적 반응·조작에 기대하며 고전 역학적으로 쪼개나가는 분석기술즉 upside down 기술이라면 나노기술은 개개 원자수준의 정확한 제어를 의도하며 양자역학적으로 합성해 가는 bottom up 기술이므로 근본적인 접근 방법부터 다르다고 할 수 있다.

그러므로 극미세계의 양자역학에 초점을 맞춘 나노테크놀로지(Nanotech-nology)는 원자량·분자량 및 그 크기에 바탕한 전통적 아보가드로(Avogadro)개념의 물성 로직(Logic)을 벗어나, 위상효과·전자차단효과·양자간섭효과·양자관통효과·플라즈마효과 등에 의한 초기능의 나노물성 세계를 열어 가는 과학기술이므로 기존 과학기술의 한계를 극복하여 새로운 21세기 지식기반산업을 개화시킬 꿈의 기술로 평가되고 있다.
 

산업적인 면에서도 나노기술은 과학기술의 새로운 영역 창출 및 기존 제품의 고성능화를 통해 IT, BT, ET와 맞물리면서 21세기의 신 산업혁명을 주도할 핵심기술로 자리 매김해가고 있다.

정교한 분자의 집합체인 생물체는 태생적으로 고효율성 나노원리가 작동하는 축약적 유기체이기도 하다. 따라서 생체 극미세 영역에서의 물리·화학현상과 미소소재 특성을 나노 스케일에서 실험적으로 분석하고 생체내 소기관의 디지털 단위구동과 구동변조에 대한 원리를 탐색해 가는 나노바이오텍(NanoBiotech)은 생명현상의 신비에 다가서는 새로운 차원의 방법론일 뿐 아니라 바이오 분야에서 고부가가치를 창출하는 21세기의 연금술이라는 평가를 받기도 한다.


나노바이오텍의 저력

이러한 전망을 토대로 1999년에 작성한 나노기술 연구에 관한 미국의 한 보고서에는 21세기에 미국의 가장 중요한 전략적 과학기술 분야가 될 것이며, 이 기술은 제조·의약·에너지·통신·컴퓨터 그리고 교육 등 전반적인 분야에서 현재의 마이크로 기술을대체하게 될 것이라고 기술하고 있다.

이중에서 가장 먼저 효과가 기대되는 분야가 컴퓨터 소자이고, 가장 막대한 영향을 줄 것으로 기대되는 분야가 의학분야라고 하였다. 이는 인체가 태생적으로 나노 수준의 분자로 구성되어 있기 때문에 분자에 대한 나노기술의 적용이 가능하게 되면 인간 질병의 조절에 극적인 변화가 가능해진다는데 바탕을 두고 있다.

단순한 분자약품개발만이 아니라 생체의 문제점을 모니터하는 미세 나노장치가 개발되어 분자수준에서 인간의 건강을 유지하고 개선하는데 활용된다.

나노의학에 의해 질병에 대한 원인적인 정의를 내릴 수 있게 되고, 노쇠 등 신체조건의 진단과 치료는 물론 궁극적으로는 타고난 인간의 생물학적 구조와 기능을 개선·연장할 수 있게 된다.

미국·유럽·일본 등 선진 각국은 이미 1990년대 초부터 생물산업을 21세기 전략분야로 집중 육성하고 있다.

생물산업은 기초과학 기반에 크게 의존하므로 이 분야에 오랜 전통과 강점을 보유하고있는 서구 선진국들이 주도적인 세력을 형성했고, 이들 선진 그룹들을 중심으로 유전체의 구조와 기능을 연구하는 지노믹스·유전정보를 데이터베이스로 만드는 바이오인포메틱스·단백질-유전정보-생체기능 간의 관계를 밝히는 프로테오믹스 등 유전자 연구분야의 주도권 확보를 위한 경쟁이 가열되고 있다.

또한, 세계 생물산업시장은 연평균 11% 정도 꾸준히 증가할 것으로 보이며, 보건의료·농축산·환경 분야에서 가장 큰 시장이 형성될 것으로 기대된다.


21세기 핵심기술, 나노텍

이제 21세기를 끌고 갈 기술의 하나인 나노과학기술은 IT·BT·ET와 시너지 효과를 주고 받으며 발전하여 의약·환경·산업·에너지·전쟁·경제·무역·사회구조 등에 심대한 영향을 야기할 것으로 예상된다.

이렇듯이 엄청난 결과를 가져오는 나노바이오테크놀러지는 세계적으로 그 시작단계임에도 불구하고 21세기 인류의 생활을 근본적으로 바꾸어 놓을 꿈의 기술로 생각되고 있다.

지금 현재 세계의 유수 연구기관에서 진행되고 있는 나노바이오텍의 연구내용의 편모를 예시함으로써 나노바이오텍의 초창기 흐름을 조망해 본다.


바이오칩 기술 적용

바이오칩 기술을 신체에 적용하는 예로 인공망막시스템을 도입할 수 있는데, 이는 안경테에 내장된 외부 카메라로 영상을 포착하여 전기신호로 변환하는 것이다.

그러므로 전기신호를 망막에 부착된 칩에 무선송신하면 칩이 신경절세포를 전기적으로 자극함으로써 의사 시각이 실현될 것이다.

이러한 원리가 현재의 초음파, X-ray, 자기공명영상에 도입될 때 의료영상기술을 획기적으로 개선할 수 있게 된다.


나노바이오센서 개발

나노바이오센서를 개발하여 초미세 실리콘 캔틸레버(silicon cantilever) 위에 부착되어 있는 분자와 측정하고자 하는 DNA나 단백질 분자가 결합되었을 때 생기는 정전력의 힘으로 캔틸레버가 휘는 정도를 측정하는 센서로 이용할 수 있는 방안을 모색하고 있다.

이러한 센서는 특정 질병의 감염 상황·암의 진척상황·심장기능 등의 감식으로 진단에 원용될 수 있고, 이러한 감식에 의해 약물을 방출할 수 있도록 고안될 수 있다.

뿐만 아니라 특정의약에 대한 감수성이나 거부반응과 DNA 프로파일을 연계하여 포스트게놈 시대의 맞춤의약의 개막을 예고하고 있다.


생체모방기술 응용

생체모방기술을 응용함으로써 FIATPase에 액틴 필라멘트가 부착되어 회전하여 일을 할 수 있는 나노모터로 이용할 노력을 기울이고 있으며, 이러한 분자모터는 분자기계시스템에 새 장을 열어갈 것이다.


약물전달시스템 개발

자성을 띤 나노파티클이 부착된 항체를 이용하여 암세포 등의 국부에 타깃하여 약물을 함유하는 자성을 띤 나노파티클이 이곳에 전달되도록 하는 약물전달시스템을 개발하는 것이다.

나노입자에 의한 특정세포 혹은 세포 내 특정 구획에 대한 약물전달의 새로운 제형은 의약의 부작용 및 치료의 효율성을 획기적으로 변화시켜 줄 것으로 예측된다.


치료용 나노로봇

치료용 나노로봇 개념을 도입하는 경우효소는 그 자체를 고성능 나노기계로 이용할 수 있다.

그리고 박테리오파지를 이용하여 적혈구 세포주변에서 바이러스를 찾는 나노로봇을 개발할 수 있다.


질병예방 및 치료

나노-copter에 전사조절 단백질과 DNA 결합도메인 및 Fe2+ 등이 탑재된 나노 complex에 의해 산소가 부족한 조직으로, 이 나노 생고분자 복합체가 이동하여 산소공급으로 유전적 발현을 증가시켜 질병 예방 및 치료목적으로 활용될 수 있다.


Labs-on a chip 실현

Labs-on-a chip이 실현되고 있다. 생화학·분자생물학적 반응과 실험을 나노 수준의 칩에서 실현함으로써 현재 실험실의 규모와 시간·경제성을 혁명적으로 개선하고 그 대신 반응 개수를 폭발적으로 늘일 수 있는데, 이는 유전자분석 및 질병진단에 커다란 시사를 던져 준다.


생체 미세 조직 측정

에너지 생성용 생화학 반응분자를 나노규모 실험장치 및 발신장치와 연계하면 생체 내미세조직의 현장에서 각종 생화학적 반응의 과다를 측정하여 오이부의 수신장치로 전달함으로써 체내에 필요한 대사산물을 실시간으로 적정규모 조정이 가능해질 수 있다.

종합적으로 이러한 나노바이오테크놀러지의 적용으로 예상되는 파급효과로서 유전자조작·생체센서·진단 및 치료장치·약물전달체계 개발을 유도할 수 있으며, 환경 오염 원인 분석 및 독성 제거를 통한 환경문제 해결을 계획할 수 있다.

또한, 유전자조작 및 병충해 제어로 농업생산성의 획기적 향상을 기대할 수 있고, 효과적인 질병 조기진단 및 치료를 통한 삶의 질 향상의 효과를 가져올 수 있다.
저작권자 © 메디칼업저버 무단전재 및 재배포 금지