바이오칩 (biochip)
• 본 항목의 내용은 해당 분야 전문가의 추천을 통해 선정된 집필자의 학술적 견해로 한국학중앙연구원의 공식입장과 다를 수 있습니다.
내용 요약
바이오칩은 생화학적 반응의 빠른 탐지를 위해 생체 유기물과 무기물을 조합하여 만든 혼성소자이다. 이를 만들기 위해서는 우선 기판에 감지기로 사용할 생체 유기물을 미세배열 기술을 이용하여 새겨 넣는다. 다음으로 감지기가 반응했을 때 전기, 빛, 질량 등을 신호로 변환하는 변환기가 필요하다. 이와 같이 바이오칩 분석 시스템은 2단계로 이루어져 있다. 현재 바이오센서, DNA칩, 단백질칩, 세포칩, 신경칩, 생체(삽입용)칩, 랩온어칩 등 다양한 바이오칩이 존재한다. 바이오칩은 특정한 생물학적 반응성을 이용하여 동시다발적으로 검사를 수행해 빠른 검사를 가능하게 한다.
정의
생화학적 반응의 빠른 탐지를 위해 생체 유기물과 무기물을 조합하여 만든 혼성소자(混成素子).
개설
인간유전체사업의 성공 이후, 유전체에 대한 정보가 쌓이면서 생물정보학을 토대로 한 기능 유전체학과 단백질체학에 대한 관심이 커지고 있다. 이 분야의 발전을 위해서는 많은 양의 유전정보를 동시다발적으로 처리할 수 있는 작업이 중요해졌고, 이러한 필요성에 따라 바이오칩(biochip)이 빠르게 발전하고 있다.
바이오칩은 기본적으로 반도체칩과 같은 형태를 띠고 있기 때문에 생화학적 반응을 탐지할 수 있는 완벽한 분석 시스템을 갖추어야 한다. 먼저, 유리나 실리콘, 집적전자장치와 같은 기판에 감지기로 사용할 DNA, 단백질, 세포, 뉴런(neuron) 등 생체 유기물을 미세배열(microarray) 기술을 이용하여 새겨 넣는다. 다음으로 감지기가 반응했을 때 전기, 빛, 질량 등을 일정한 신호로 변환해주는 변환기(transducer)가 필요하다.
이렇게 바이오칩 분석 시스템은 2단계로 이루어져 있으며, 이 과정을 거쳐 감지기가 반응하면 그 결과는 신호처리 과정을 거쳐 컴퓨터 화면에 출력된다. 현재 바이오센서(biosensor), DNA칩, 단백질칩(protein chip), 세포칩, 신경칩, 생체(삽입용)칩, 랩온어칩(lab-on-a-chip) 등 다양한 종류의 바이오칩이 존재하는데, 각각의 칩은 목적에 따라 그 모양이 서로 다르다.
연원 및 변천
1970년대에 바이오칩이 처음 시도될 때는 전자공학의 관점에서 반도체소자의 물리적 한계를 극복하는 수단으로 생물의 장점을 모방하거나 살리는데 목적이 있었다. 그래서 분자 다이오드, 분자 트랜지스터, 단백질 메모리 소자 등을 기초로 바이오컴퓨터를 만들려는 시도가 주를 이루었다. 지금은 생명공학의 한 응용분야로서 바이오칩이 자리를 확보해 나가고 있으며, 특정한 생물학적 반응성을 이용하여 동시다발적으로 검사를 수행함으로써 빠른 검사를 가능하게 해준다. 1953년에 발견된 DNA의 이중나선구조가 DNA칩의 가능성을 열어주었다.
기술적으로 특히 중요한 기여로는 1980년대의 중합효소연쇄반응(PCR) 기술과 DNA 분자에 형광 태그를 붙일 수 있는 기술을 들 수 있다. 전자는 1983년 멀리스(Kary Mullis)에 의해 발명되었는데, DNA 분자를 증폭해줌으로써 소량의 DNA 시료도 탐지할 수 있게 되었다. 후자는 특정한 분자에 형광 태그를 붙임으로써 광학적으로 탐지할 수 있도록 해주는 기술이다. 생명공학과 전자공학의 빠른 발전은 1990년대 들어 바이오칩의 급속한 발전을 추동했다. 최초로 상업화된 바이오칩으로는 아피매트릭스사(Affymetrix Co.)의 진칩(GeneChip)을 꼽을 수 있다. 이 회사는 1994년에 인간면역결핍바이러스 유전형진단 진칩(HIV genotyping GeneChip)을 출시하여 큰 성공을 거두었다.
제조 방법
DNA칩의 경우, 미세배열 기술은 크게 두 가지로 나뉜다. 첫 번째는 자동 미세 배열기를 이용하여 미리 준비된 개방형 해석틀(ORF, open reading frame)을 기판에 직접 심는 방식이다. 이때, 심는 방법은 핀을 이용할 수도 있고 잉크젯의 원리를 활용할 수도 있다.
두 번째는 반도체 기술에 사용되는 사진석판술(photolithography)을 이용하여 올리고뉴클레오티드 탐침(oligonucleotide probe)을 한 층씩 쌓아 합성해내는 방식이다. 가령, 8개의 염기로 이루어진 올리고뉴클레오티드 탐침을 제작하려면 염기의 종류가 A, T, G, C 등 모두 4개라는 점을 감안하면 4⁸(=65,536)개의 탐침이 필요하다. 사진석판술은 필요로 하는 탐침을 자유롭게 합성할 수 있기 때문에 활용도가 더 크다고 할 수 있다.
사용 방법 및 특징
DNA칩은 특정한 유전정보를 담고 있는 mRNA를 역전사효소를 이용해 만든 cDNA로 분석한다. 개방형 해석틀이나 올리고뉴클레오티드 탐침 모두 일정한 염기배열을 이루고 있기 때문에 분석하고자 하는 cDNA를 섞어주면 혼성화(hybridization)를 통해 cDNA의 염기배열을 탐지해낼 수 있다.
cDNA에 형광 태그를 붙여두는 방식으로 혼성화의 발생 여부와 정도를 파악할 수 있고, 그로부터 cDNA의 염기배열을 읽어낼 수 있다. 따라서 DNA칩은 유전자지도를 그리는데 이용될 뿐만 아니라 암 진단과 단일 염기의 돌연변이도 포착해낼 수 있다. 최근 들어 유용성이 훨씬 큰 단백질칩과 랩온어칩 개발이 활발하게 이루어지고 있다.
참고문헌
『바이오칩 분석보고서』(대전특구본부, 2006)
