아줌마들의 "아줌마들의 과학수다"

이공계 출신의 아줌마들이 어느 날 우연한 계기로 모여 과학기술에 관해 친절한 수다를 풀어내기 시작했다. 여성과학기술인지원센터(WIST)와 사이언스온 공동기획

[연재] '신호' 잡는 의료·식품·환경·군사 바이오센서들

아줌마들의 과학 수다

마흔두 번째 이야기- 바이오센서


만 40세 생애전환기 건강 진단을 받던 날. 전날 저녁부터 굶고 아침 일찍 지하철에 시달리면서 병원에 간다. 줄을 서서 채혈을 하고 종이컵을 들고 소변을 받고, 영상진단과를 찾아가 엑스선 촬영을 한다. 진단과를 옮겨갈 때마다 옷을 벗고 검사복을 갈아입기를 반복한다. 모든 검사를 다 하고 갈아입으면 편할 텐데…. 병원에서는 환자에 대한 배려가 조금은 부족한 것 같다. 가벼운 검사도 있지만 검사 자체로도 거부감이 드는 아픈 검사도 있다. 위암 검사는 당일로는 안 되고 예약을 해야 한단다. 많은 환자들 속에서 상담하는 의사 선생님은 지쳐 보인다. 검사를 마치고 집에 돌아와 보니, 진단과 한 곳을 들리지 않았다. 빼먹은 검사 한 가지를 더하기 위해 국민건강보험 공단에서 받은 검진표를 들고 다시 병원으로 향한다. 집에서 화장실만 가면 진단이 된다는 이른바 '유비쿼터스 헬스케어'라는 공상과학 영화 속의 미래는 언제나 현실이 될까.

/ 수다꾼 : 박문영, 신지원, 이인숙, 최동수 (정리: 최동수)





00sensor1 » 유회준 카이스트 교수 연구팀은 지난 3월 천 위에 집적회로를 입히는 ‘직물형 인쇄회로 기판’을 이용해 센서들을 얼굴과 가슴에 붙이고 자면 심장박동, 안구와 얼굴근육 움직임, 뇌파, 체온 등을 측정해 수면장애의 정도와 원인을 분석해주는 시스템을 개발했다고 밝혔다. 사진/ 카이스트





'건강 이상' 바로 잡아내는 검진센서 어디 없나?



SO_DS동수 :  국민건강보험공단에서 2년마다 건강검진을 지원해주고 있잖아요. 병이 깊어져 치료할 때 지출되는 보험료보다 건강검진을 통해 초기진단을 하는 것이 국가 재정의 지출을 줄일 수 있기 때문이기도 하다네요. 그런 강제성이 없으면 건강검진을 챙겨서 하게 되지 않으니..., 제도는 좋은데 내시경 검사나 채혈 하는 것은 정말 싫어요. 채혈을 해서 혈액 속 포도당의 농도, 콜레스테롤의 농도 같은 걸 검사하려면 결과가 금방 나오지도 않고요. 얼마 전 개가 냄새로 암 환자를 구별해낼 수 있다는 뉴스가 화제였잖아요. 딱 보기만 해도 병을 알아내는 바이오센서가 있으면 좋겠어요.

 

지원 :  임신했는지 간단하게 알 수 있는 임신진단용 키트가 가장 흔하게 접하는 바이오센서더군요. 소변에서 특정 호르몬이 있는지 감지해내기 위해서, 항체를 이용해 우리가 알아볼 수 있는 색으로 바꿔주는 것이죠.  연로하신 부모님의 생활을 보면 병원은 이미 일상의 한 부분으로 자리를 잡은 것 같아요. 예전 방식대로 병을 진단하는 과정 자체가 절차상, 시간상 힘이 많이 들었는데, 임신진단용 키트처럼 간단하게 사용할 수 있는 바이오센서가 있었으면 좋겠어요. 그러면 적은 양의 시료를 좀 더 간단히 채취하고 짧은 시간에 진단결과를 볼 수 있을 테니까요.

 

문영 :  둘째 아이를 가졌을 때 몸이 좀 붓는다 싶었는데 병원에서 임신성 당뇨라고 하더라고요. 집안에 당뇨 병력은 없어서 그쪽으로 생각도 하지 않았는데 나름 충격이 컸어요. 그런데 충격보다 더 큰 문제는 하루 네 번씩 해야 하는 혈당검사였어요. 정말 열 손가락이 남아나지 않더라고요. 신문 기사를 보면 직접 피를 보지 않고도 혈당을 체크할 수 있는 다양한 기계들이 있는 것처럼 보이던데 막상 시중에서는 쉽게 구할 수가 없었어요. 상용화 되어있는 대부분 기계들은 일단 손끝을 찔러 피를 내야 하더라고요. 두려움 없이 검사할 수 있는 진단기가 절실했어요.

 

인숙 :  센서라고 하면 측정 대상에서 정보를 얻어서 우리가 알 수 있는 신호로 변환하는 장치를 말해요. 바로 사람의 감각기관과 같은 역할을 하는 거지요. 이런 센서 가운데 바이오센서는 생물의 다양한 반응 작용 과정에서 나타나는 전기적 변화를 감지하는 거예요. 바이오센서는 질병을 신속하고 정확하게 진단해 사람들의 생명을 구하는 데 많은 도움을 주고 있어요. 그래서인지 바이오센서 하면 병원이 가장 먼저 떠올라요. 바이오센서의 80% 이상이 혈당, 임신호르몬, 빌리루빈, 나트륨, 젖산, 요소, 콜레스테롤, 헬리코박터 같은 생체물질을 분석하는 의료 진단 분야 센서라고 하네요.

 

동수 :  한의원에서 리트머스지 같은 간단한 시험지에 소변검사를 하고 작은 기구에 넣었더니 빌리루빈 등의 수치가 이상이 있는 경우에 환자를 내과로 보내는 걸 본 기억이 나요. 정확성은 떨어지지만 간편하게 작은 기구로 어디서나 검사를 하는 것이 신기했죠.  바이오센서는  이미 우리 주변에서 볼 수 있고, 분자생물학이나 나노테크놀로지, 정보통신기술과 접목되어 질병의 조기 진단이나 치료 모니터링을 쉽게 할 수 있도록 빠르게 발전하고 있는 것 같아요.

 

 

 

혈당 센서 개발 활발, 아직 '피 보기'는 여전


 

문영 :  다양한 의료용 바이오센서를 기대했지만 현재 상용화를 목표로 어느 정도 개발된 것들은 거의가 혈당 센서더라고요. 한꺼번에 혈당이나 콜레스테롤, 젖산 등의 수치를 알 수 있는 센서도 있으면 좋겠어요. 예방 차원으로 한 달에 한 번 정도 집에서 간단히 자가진단을 하면 시간이나 비용을 많이 줄일 수 있잖아요. 1962년 클락이 포도당 측정을 위해 투석막을 이용한 것을 바이오센서의 시작이라고 볼 수 있어요. 혈당 센서의 원리는 포도당을 산화시키는 글루코스 산화효소를 고정막에 고정화하고 센서 전극에 부착시켜 만드는 거래요. 어떤 책에서 글루코스 산화효소가 없다면 1000년이나 걸릴 글루코스의 산화작용이 효소 덕분에 활성화 에너지를 낮추어 1시간 안에 일어난다고 되어 있더라고요. 글루코스 산화효소는 값도 싸고 산화 조건이 사람의 혈액 속 글루코스 농도와도 일치하기 때문에 성공했다고 할 수 있어요.

 

인숙 :  가장 흔한 혈당 바이오센서는 글루코스가 효소와 만나 글루콘산으로 변하고 과산화수소가 생성될 때 이 과산화수소에 의해 변하는 전기 신호를 검출하는 것을 원리로 삼고 있다고 해요. 과산화수소는 일반적인 효소의 산화반응 생성물이기 때문에 혈당 바이오센서 하나로 두 가지 용도로 사용할 수 있는 다기능 바이오센서를 만들 수도 있다고 해요.

 

SO_JW지원 :   초기의 혈당 측정은 혈구와 혈장을 분리해 측정해야 했어요. 그 시기를 1세대라고 한다면, 2세대 혈당 측정 기술은 광도법과 전기화학법으로 나눌 수 있어요. 원리는 모두 글루코스와 반응하는 산화효소를 사용한 것인데, 광도법은 산화과정에서 생기는 색의 변화를 광도계를 이용해 빛의 반사도와 투과도로 측정한 것이죠. 전기화학법은 과산화수소에 의해 발생하는 전자를 전극을 이용해 흐르게 해 전류를 측정하는 것이에요.

 

인숙 :  광도법을 이용한 혈당 측정은 전기화학법에 비해 많은 혈액이 필요해, 기업들이 부가가치가 높고 적은 혈액으로도 혈당을 측정할 수 있는 전기화학법을 이용한 혈당센서 개발에 집중했기 때문에 전기화학법이 더 일반화되었어요.

 

동수 :  어떤 방법의 바이오센서를 이용하든 환자의 입장에서는 손가락 끝을 채혈하고 센서 스트립에 혈액을 묻히지요. 그것을 해석하는 것이 광도법이든 전기화학법이든 채혈할 때 상처랑 고통을 주는 것은 여전하네요.

 

문영 :  무채혈 혈당 측정기도 있기는 해요. 과일의 당도 측정 때처럼 적외선을 이용하는데 피부에 적외선을 쏘아 반사되는 적외선을 측정하는 방법이에요. 피부 두께나 상태를 비롯해 여러 가지를 보정해 주어야 하고 값이 비싼 게 단점이더라고요. 또 뱃속의 태아를 보듯이 초음파를 쏘아 측정하는 방법도 있어요. 물론 태아를 볼 때보다는 낮은 주파수를 이용하고요. 그런데 진단 방법은 생각보다 간단하지 않더라고요. 참, 2001년 미국 식약청(FDA)의 승인을 받은 글루코워치라는 바이오센서는 손목시계처럼 차고 있으면 약한 전류가 피부로 흘러들어가 20분마다 혈당을 측정해 이상이 있으면 경고음을 울려준다고 해서 2000년대 초반에 화제가 되었는데, 현재 국내에서 시판되고 있는지 모르겠네요.

 

00sensor3 » 갖가지 센서 장치의 부품들.


 

 

몸안에서 몸 상태 감시하는 미래 바이오센서


 

지원 :  원리는 이미 밝혀져 있는 혈당 바이오센서에 대한 연구가 계속되는 이유는, 더 작은 농도를 측정할 수 있고 더 가볍고 작게 만들어 가지고 다니기 편리하게 만들고 더 유연한 물질로 만들어 체내에 한번 심어놓으면 자동으로 혈당 관리가 되는 바이오센서의 개발을 꿈꾸기 때문이겠지요. 그래서 바이오센서는 21세기 들어서 다시 붐을 일으키고 있어요. 나노기술 덕분일 거예요. 원리는 같지만 센서의 전극을 나노입자, 탄소나노튜브, 그래핀 같은 첨단 나노 물질을 이용해 적은 양의 혈당으로도 민감도 높은 센서를 만들기 위해 계속 연구하고 있어요.

 

동수 :  전기화학적 바이오센서는 전계효과 트랜지스터 형태로 발전되고 있어요. 초기 형태는 나노선 채널을 이용한 전계효과 트랜지스터(FET) 방식이었어요. 나노선 표면에 결합하는 바이오 물질의 자체 전하에 의해 유도되는 나노선 내부의 전기 전도도 변화를 검출하는 게 그 원리이지요. 전계효과 트랜지스터 방식의 바이오센서는 탄소나노튜브를 사용하는 단계를 지나 최근에는 그래핀을 채널로 사용하는 연구들이 진행되고 있더라고요. 그래핀은 비표면적이 넓고 전기전도성도 좋다는 장점이 있고 표면구조를 이용해 매개 물질을 부착시키면 산화효소 등 물질을 표면에 붙여 여러 가지 기능기를 만들 수 있기 때문에 바이오센서에 적합한 물질로 주목 받고 있어요.

 

SO_MY문영 :  전계효과 트랜지스터 방식의 바이오센서는 후면 게이트로 전압을 주는 것보다 더 낮은 전압에서 전계효과를 얻을 수 있도록 용액을 이용한 탑(top) 게이트 방식의 전계효과 트랜지스터 형태도 있더군요. 트랜지스터에 사용하는 기판도 단단한 실리콘 기판뿐만 아니라 구부릴 수 있는 유연한 기판에 대한 연구도 있고요. 점점 더 민감해지고 바이오센서의 크기도 작아지고 구부렸다 폈다 할 수 있는 바이오센서로 발전되고 있는 것 같아요.

 

지원 :  최근에는 전계효과를 측정하는 방법(FET) 외에 형광 표지물질을 붙이지 않고 측정하는 방법이나 또 표면 플라즈마 공명현상을 이용하는 방법(SPR), 캔틸레버의 변위를 측정하는 방법, 수정 크리스탈의 공명주파수 변화를 측정하는 방법(QCM) 들도 있더라구요. 그 방법들의 원리가 확실히 이해되지 않는 것도 있지만, 연구자들이 지향하는 형태는 신체 안에 바이오센서를 심을 수 있도록 하는 게 아닌가 싶어요. 바이오칩처럼 말이죠. 몸 안의 바이오센서라…, 미래에는 채혈을 하지 않아도 몸속에 설치된 바이오센서가 혈당량을 계속 감시하다가 필요에 따라 자동으로 인슐린을 주입하는 시대가 오겠네요.

 

인숙 :  몸속의 바이오센서에 문제가 없는 것은 아니에요. 바이오센서는 살균이나 소독을 할 수 없기 때문에 병원균이나 오염물질에 감염될 수 있어요. 몸 안의 바이오센서를 이물질로 인식하면 바이오센서는 쓸모없어지거나 신체에 해를 입힐 수도 있을 거예요.

 

00sensor2 » 영국 레딩대학 케빈 워릭 교수가 왼팔에 장착된 이식장치를 통해 로봇 팔을 움직이고 있다. 워릭 교수가 손을 움직일 때 신경계에서 흐르는 신호를 센서가 감지해 그 정보를 전송하면 로봇팔이 정확하게 손 동작을 복제한다. 2008년 한겨레 자료사진


 

 

환경호르몬, 잔류 항생제, 세균테러 등 감지


 

동수 :  바이오센서 응용 분야의 85~90%가 의료 분야이지만 다른 영역의 바이오센서들도 주목할 필요가 있을 것 같아요. 우리나라가 원천 기술을 가질 수 있는 틈새 시장일 수도 있으니까요.

 

문영 :  토양 미생물의 활성도를 측정해 토양을 진단하는 바이오센서도 있더군요. 환경호르몬, 폐수의 생물화학적 산소요구량(BOD), 중금속, 농약 같은 환경 관련 물질을 검출할 때에도 바이오센서가 이용되고 있어요. 다이옥신처럼 내분비에 문제를 일으키는 환경호르몬만을 선택적으로 감지하거나 아주 작은 농도도 감지할 수 있는 센서가 필요한 영역이지요. 세계적으로 보면 2000년에는 토양 속의 중금속 오염을 나타낼 수 있는 센서, 토양에서 생물이 이용할 수 있는 수은의 양을 계측할 수 있는 센서, 2002년에는 식중독균을 감지하는 센서 등이 개발 되었더군요. 문제는 수질 오염을 측정하는 바이오센서도 결과를 아는 데 닷새는 걸린다고 하네요. 다행히도 최근에는 미생물의 활성화를 이용한 BOD 센서도 개발되었다고 하니 오염을 감지해내는 시간이 줄어, 소 잃고 외양간 고치는 일은 없어질 듯 해요.

 

지원 :  우리의 커다란 관심사 중의 하나인 먹거리에도 바이오센서가 큰 역할을 하고 있더군요. 식품 안전성을 검사할 때도 바이오센서가 사용되고 있어요. 식품에 남아 있는 잔류 농약이나 항생제, 각종 세균, 중금속 같은 유해 물질을 검출하는 것이죠. 농산물의 신선도, 성장 정도, 발효 상태, 세균 감염 여부도 바이오센서를 이용해 알 수 있고요. 발효 공정에서 미생물의 성장조건을 제어하기 위해 바이오센서를 사용하고 있어요. 또, 화학공장이나 정유공장, 제약회사에서 나오는 특정한 화학물질을 분석하기 위해서도 바이오센서를 사용하고 있어요.

 

SO_LIS인숙 :  바이오센서가 식품과 환경에 이용되고 있지만 군사용으로도 사용된다는 사실에 놀랐어요. 2005년 미국에서 바이오테러 대비 탄저균을 감지할 수 있는 바이오센서를 개발했어요. 미래의 전쟁은 세균전이 될 수 있다고 하는데 대량 살상용 무기가 되는 생물학적 세균들을 감지할 수 있는 바이오센서는 군사적으로 아주 중요하다고 해요. 빠른 분석과 소형화도 필요하고 생화학 무기의 확산 지역이나 경로를 종합적으로 알 수 있는 바이오센서도 필요하니까요.

 

 

 

크는 세계 시장, 더 치열한 원천기술 경쟁


 

동수 :  현재 여러 바이오센서들이 국산화하고 있고 그런 국산 제품의 성능이 낮은 것은 아니지만, 아직도 외국 제품에 대한 의존이 큰 것 같아요. 우리나라는 아직 원천 기술의 확보가 선진국에 비해 많이 뒤쳐져 있다고 하고요. 아직은 기술을 수입하는 단계인 것이죠.

 

문영 :  바이오센서에 관한 우리나라 특허는 1988년 1건을 시작으로 해마다 1~8건 정도의 특허가 출원되고 있어요. 세계적인 특허 출원을 보면 1981년 1건으로 출발해 2000년에는 125건을 넘어 계속 증가하고 있어요. 나라별로는 미국, 일본, 유럽이 대부분을 차지하고요. 2006년 바이오센서의 세계 시장 규모는 50억 달러였고, 2013년에는 연평균 성장률이 12.5%로 전망된다고 해요. 미국을 포함한 북미 지역은 2005년 10억 달러에서 2011년 약 20억 달러로 성장했고요. 우리나라가 관심을 가져야 할 분야임에는 틀림이 없어요.

 

지원 :  선진국의 규모에 기죽을 수도 있겠지만 우리가 희망을 가져야 할 대목은 아시아태평양 지역이 유럽 다음으로 성장률이 높을 것으로 기대된다는 거예요. 국내 바이오센서 시장 규모는 2005년 약 300억, 2010년은 약 700억이고, 연평균 성장률이 18.5% 정도로 예상하고 있어요.

 

인숙 :  바이오센서는 제작 과정이 간단해서 다국적 기업들이 경쟁력을 확보하고 세계 시장을 점령하기 위해 센서의 소형화와 다중센서 같은 여러 분야에서 연구개발을 하고 있지요. 이미 바이오산업은 공학, 농생물과학, 생명과학 등 과학 전반에 걸친 기술을 융합할 수 있는 미래형 융합산업으로 크게 성장할 것으로 기대하고 있어요.

 

동수 :  아직은 환자 중심인 의료체계는 아니지만 건강 관리의 패러다임이 사용자 중심으로 변해가고 있고, 치료보다는 예방과 웰빙 쪽으로 변해가고 있어요. 그런 변화가 실현되기 위해서는 유비쿼터스 같은 정보통신 기술이 필수겠지요. 세계적으로 바이오센서의 기술 개발 시기가 비슷하고, 우리나라는 반도체 제조 기술이 뛰어나기 때문에 이 기술을 잘 활용해 우리나라가 우위를 차지할 수 있으면 좋겠어요.

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과학수다팀
머릿속 과학을 쉽게, 편안하게, 재밌게 생활에서 끌어안다.” 못생긴 평 발의 등번호 21번 수다꾼(박문영), 뾰족코에 둥근 안경 수다꾼(신지원), 살포 시 웃음 짓는 빼빼 수다꾼(최동수), 볶음밥 위의 노른자 수다꾼(이인숙)이 수 다 팀을 꾸렸다.
이메일 : scienceon@hani.co.kr      

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