[바이오타임즈] 바이오센서(Bio-sensor)는 1953년 미국의 클라크 박사(L.C. Clark)가 효소 전극을 이용한 포도당 센서를 시작으로 현재까지 괄목할만한 성장을 이뤘다. 바이오센서가 지속해서 성장할 수 있었던 가장 큰 요인은 물리화학과 생물학 기술이 발전했기 때문이다.
 

◇분석하고자 하는 물질을 선택적으로 감지

바이오센서는 흔히 병원균이나 DNA 등 생체 물질을 분석하는 데 활용되는 것으로 잘 알려졌지만, 일반적인 화학 물질의 분석에도 사용된다. 화학 물질을 인식할 수 있는 생물학적 수용체가 전기나 광학적 변환기와 결합해 화학적 반응을 보이면 신호를 나타내는 방식인데, 분석하고자 하는 물질을 선택적으로 감지할 수 있다는 장점이 있다.

생체 분자인 생물학적 수용체는 분석 물질을 선택적으로 인식하고, 변환기가 측정할 수 있도록 신호를 나타내는 기능이 있으며, 주로 효소, DNA, 단백질, 호르몬, 생체막(Membrane) 등에 사용된다. 생물학적 수용체가 생체신호나 인식반응 등을 발생하면 신호가 생성되는데, 이 과정에서 전기화학, 광학, 압전, 전자, 자기 같은 다양한 물리화학적인 방법이 적용된다.

바이오센서가 특정한 물질을 인식하는 과정은 대부분 가역적으로 진행되기 때문에 연속적으로 측정할 수 있다. 물론 바이오센서 중에서도 항원-항체 간의 상호작용이나 DNA 하이브리드 형성처럼 비가역적으로 진행되는 인식 과정도 있는데, 이러한 검출기 개념의 기기는 바이오센서가 아닌 바이오칩(Bio-Chip)으로 분류되기도 한다. 바이오센서와 칩의 경계가 모호해지고 있다는 것이다.

◇시료와 반응하여 신속 정확하게 물질을 분석

바이오센서는 물질을 빠르고 정확하게 분석하는 장점이 있다. 게다가 다른 분석방법에 비해 단순하고 민감하다. 또한, 현재 바이오센서는 물질분석 시장에 나온 지 얼마 되지 않았고 응용 분야도 다양해 앞으로의 성장이 기대되는 제품이다.

현재 글로벌 바이오센서 시장은 다국적 업체들이 80% 이상의 점유율을 차지하고 있다. 대표적으로 존스 앤 존슨, 로슈, 바이엘, 메디트로닉스 등이 있다. 이들은 국내 시장에서도 90% 이상의 점유율을 차지하고 있을 뿐만 아니라 거의 전 세계적으로 독과점을 형성하고 있어 신생 개발업체들이 뛰어들 틈이 좁은 현실이다. 자금과 마케팅 능력이 부족한 것은 물론, 기존에 등록된 500여 개의 특허를 피해 제품을 개발하는 건 어렵기 때문이다.

바이오센서는 정보통신과 융합할 수 있는 중요한 분야로 정보통신 기술이 강점인 우리나라가 미래 시장을 개척해 나가려면 꼭 갖추어야 하는 전략 분야 중 하나이다. 바이오센서를 활용한 산업의 심층 분석으로 기술 및 시장의 정보를 얻는 것이다. 이를 통해 기술 개발을 유도하고 수입 의존도를 낮추는 등 다양한 효과를 볼 수 있다.

◇진단과 치료를 동시에 수행 가능

바이오센서의 응용 분야는 크게 제약, 의료, 환경, 식품, 군사 연구 등으로 나눌 수 있다. 응용 분야에 따라 조금씩 특징이 다른데, 수요가 가장 많은 의료 분야는 향후 바이오센서 산업의 성장을 견인할 주요 역할을 할 것으로 기대된다.

바이오센서의 장점은 즉각적인 감지가 가능하고, 위험도가 높은 약품을 사용할 수 있게 하며, 중환자의 경우 신속한 진료로 이어 주기도 한다. 따라서 의료 분야에서 수요가 점차 확대될 것으로 예상한다.

바이오센서는 바이오수용체(Bio-receptor)라는 분석 대상물과 단백질, 항원과 항체 등 상호작용을 기반으로 하며, 효과를 나타내는 신호 변환기(Transducer)을 통해 측정하고자 하는 물질의 정량이나 정성을 분석하는 원리다.

향후 의료 분야에서는 유전이나 병균에 의한 질병을 분자 수준에서 정확히 진단하는 ‘분자진단 기술(Molecular Diagnosis)’이 주목받을 전망이다. 분자진단에 활용되는 대표적인 기술은 PCR(Polymerase Chain Reaction) 기술인데, 이는 상당히 고가의 기술이며 부피도 커서 현장 진단에는 어울리지 않는다. 그 대체재로 주목받고 있는 것이 바로 바이오칩(Biochip)이다.

바이오칩의 종류는 대표적으로 단백질 칩, DNA 칩, 랩온어칩(Lab-on-a-chip), 인간의 인체를 모델링한 바디칩(Body-on-a-chip) 등이 있다. 바이오칩은 점차 스마트 바이오칩(Smart Biochip) 형태로 진화할 전망이다.

바이오칩을 활용한 분자진단 기술의 발달은 산업에 미치는 파급력이 대단할 것으로 보인다. 특히 진단과 치료를 현장에서 동시에 수행할 수 있어 미래에는 진단 치료학(Theranostics)이 혁신적인 질병 관리 기술로 자리 잡을 전망이다.

[바이오타임즈=정민구 기자] news@biotimes.co.kr

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