바이오센싱 디바이스는 본질적으로 생체인식소재와 신호전달장치로 구성된 집적화, 소형화된 분석시스템으로 많은 장점을 가지고 있다. 고민감도, 선택도, 단순성, 다성분 측정능력, 즉시측정능력 뿐 아니라 매우 작고, 고가의 장치가 필요없는 장점이 있다. 바이오센싱 디바이스의 개발을 위해서는 두 가지의 핵심요소기술이 필요하다. 이것은 생체인식소재모듈의 제작 (리셉터 개발 및 고정화기법)과 신호발생기술을 포함한 신호전달장치의 개발이다. 효소, DNA/RNA, 단백질, 세포 등의 다양한 생체인식소재가 바이오센싱 디바이스 제작을 위해 이용되어져 왔고, 신호전달시스템도 전기화학적, 광학적, mass sensitive transducer를 중심으로 매우 활발히 연구되어져 왔다. 본 고에서는 최근 개발된 바이오센싱디바이스에 대해 다루고, 향후 전망에 대해 논하고자 한다.
바이오센싱 디바이스는 본질적으로 생체인식소재와 신호전달장치로 구성된 집적화, 소형화된 분석시스템으로 많은 장점을 가지고 있다. 고민감도, 선택도, 단순성, 다성분 측정능력, 즉시측정능력 뿐 아니라 매우 작고, 고가의 장치가 필요없는 장점이 있다. 바이오센싱 디바이스의 개발을 위해서는 두 가지의 핵심요소기술이 필요하다. 이것은 생체인식소재모듈의 제작 (리셉터 개발 및 고정화기법)과 신호발생기술을 포함한 신호전달장치의 개발이다. 효소, DNA/RNA, 단백질, 세포 등의 다양한 생체인식소재가 바이오센싱 디바이스 제작을 위해 이용되어져 왔고, 신호전달시스템도 전기화학적, 광학적, mass sensitive transducer를 중심으로 매우 활발히 연구되어져 왔다. 본 고에서는 최근 개발된 바이오센싱디바이스에 대해 다루고, 향후 전망에 대해 논하고자 한다.
Bio-sensing devices, which are basically integrated and miniaturized assay systems consisted of bioreceptor and signal transducer, are advantageous in several ways. In addition to their high sensitivity, selectivity, simplicity, multi-detection capability, and real time detection abilities, they are...
Bio-sensing devices, which are basically integrated and miniaturized assay systems consisted of bioreceptor and signal transducer, are advantageous in several ways. In addition to their high sensitivity, selectivity, simplicity, multi-detection capability, and real time detection abilities, they are both very small and require relatively inexpensive equipments. Two core technologies are required to develop bio-sensing devices; the fabrication of biological receptor module (both of receptor development and immobilisation of them) and the development of signal transducing instruments containing signal generation technique. Various biological receptors, such as enzymes, DNA/RNA, protein, and cell were tried to develop bio-sensing devices. And, the signal transducing instruments have also been extensively studied, especially with regard to electrochemical, optical, and mass sensitive transducers. This article addresses bio-sensing devices that have been developed in the past few years, and also discusses possible future major trends in these devices.
Bio-sensing devices, which are basically integrated and miniaturized assay systems consisted of bioreceptor and signal transducer, are advantageous in several ways. In addition to their high sensitivity, selectivity, simplicity, multi-detection capability, and real time detection abilities, they are both very small and require relatively inexpensive equipments. Two core technologies are required to develop bio-sensing devices; the fabrication of biological receptor module (both of receptor development and immobilisation of them) and the development of signal transducing instruments containing signal generation technique. Various biological receptors, such as enzymes, DNA/RNA, protein, and cell were tried to develop bio-sensing devices. And, the signal transducing instruments have also been extensively studied, especially with regard to electrochemical, optical, and mass sensitive transducers. This article addresses bio-sensing devices that have been developed in the past few years, and also discusses possible future major trends in these devices.
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문제 정의
1). 그러므로 본고에서는 환경모니터링용으로 사용되는 핵산이용 바이오센서 및 칩을 공정 기술 중심으로 설명하고자 한다.
신호전달기법에서도 전기화학적, 전기적, 광학적, mass sensitive 방법 등 다양한 기법에 대한 광범위한 연구개발성과들이 쏟아져 나오고 있다. 따라서 본고에서는 다양한 바이오센싱 디바이스 연구개발 분야 중에 생체소재에 초점을 맞춰 효소, 핵산, 단백질 (항체 등), 세포 기반의 바이오센싱 디바이스에 대한 최신의 연구결과를 소개하고자 한다.
이를 단백질체학 (Proteomics)이라고 한다. 이는 발현되는 모든 단백질의 총합인 Proteom을 다루는 학문으로, 어떤 단백질이 얼마의 양으로 어떤 환경에서 발현되는가 하는 것을 파악함을 목적으로 한다(51). 이는 생명 현상을 이해함에 있어 DNA의 발현을 조사하는 것만큼 단백질의 분리 및 동정이 중요할 수 있음을 의미한다.
제안 방법
또한 pH 변화에 의한 효소의 불활성화라는 문제를 필연적으로 가지게 되었다. 따라서 본연구진은 pH에 의존하지 않는 측정기법으로써 o-nitrophenyl acetate를 기질로 사용하고 o-nitrophenol을 효소생성물로 얻는 효소반응을 이용하여 노란색을 띄는 o-nitropheri아의 광학적 특성을 흡광도 측정법으로 직접 분석하는 효소센서 시스템을 개발하였다 (17).
또한 본연구진은 식물재배를 위한 살균제로 널리 사용되는 captan을 측정하기 위한 효소센서를 개발하였는데, 고정화된 효소를 이용하여 색을 가지는 효소반응 생성물을 흡광도 분석법으로 정량적으로 분석하는 기법을 이용하였다. 사용된 기질인 l-chloro24-dinitrobenzene (CDNB) 과 glutathione (GSH)은 이utathione-s-transferase (GST) 효소에 의해 노란색을 띄는 s-(2, 4-dinitrophenyl)glutathione 생성 물로 변환된다.
있다. 이 시스템을 이용하여 독성물질의 생물학적 독성을 surface plasmon resonance 장치를 이용하여 정량적으로 분석하였다 (75).
대상 데이터
본 연구진은 두 가지 인공 펩타이드 (CRG 12, CRG MAP)를 이용한 세포칩을 개발하여 발표하였으며, 사용된 두 종류의 펩타이드는 금표면에 자기조립박막을 형성하고, 세포가 표면처리된 기판에 고정화된 형태를 가지고 있다. 이 시스템을 이용하여 독성물질의 생물학적 독성을 surface plasmon resonance 장치를 이용하여 정량적으로 분석하였다 (75).
성능/효과
나노입자를 이용하는 방법은 나노입자가 접합 (aggregation) 될때 그 색깔이 변화한다는 특성을 이용한다. MiTkine 금 나노입자에 프로브를 고정화시키고, DNA 샘플이 있을 때, DNA-DNA 결합 반응에 의해 금 나노입자가 뭉쳐지게 되면, 나노입자 용액의 색이 변화하는 것과 온도를 조절함으로써, 단일핵산변이도 측정이 가능함을 보였다.
이 효소반응은 captan에 의해 저해되며 생성물의 양을 흡광도를 이용하여 분석함으로써 저해정도를 정량적으로 표현하였다(18). 개발된 효소센서는 2 ppm까지의 captan 농도를 15분 이내에 측정할 수 있는 성능을 보였다. 본 연구진은 개발된 유기인화합물 측정용 효소센서와 captan 측정용 효소센서를 결합하여 동시 이성분 측정이 가능함을 보였다.
첫째 DNA 칩에 비해 시장진입이 늦었다. 둘째 해당 단백질의 확보 가용이 하지 않고 변성되기 쉽다. 셋째 생물학적 표면 제조의 어려움 등 기술적 난이도에 비해 제조원가는 높은 편이다 (57, 58).
개발된 효소센서는 2 ppm까지의 captan 농도를 15분 이내에 측정할 수 있는 성능을 보였다. 본 연구진은 개발된 유기인화합물 측정용 효소센서와 captan 측정용 효소센서를 결합하여 동시 이성분 측정이 가능함을 보였다. 이 연구에서는 유기인화합물의 일종은 paraoxon과 captan을 동시에 측정하는 것이 가능하다는 것을 증명하였으며 측정한계농도는 각각에 대해 2 ppm 수준이었다 (19).
둘째 해당 단백질의 확보 가용이 하지 않고 변성되기 쉽다. 셋째 생물학적 표면 제조의 어려움 등 기술적 난이도에 비해 제조원가는 높은 편이다 (57, 58). 이상의 한계를 극복한다면 단백질 칩은 특유의 광범위한 연구개발 가능성을 실현시킬 수 있을 것으로 예상된다.
본 연구진은 개발된 유기인화합물 측정용 효소센서와 captan 측정용 효소센서를 결합하여 동시 이성분 측정이 가능함을 보였다. 이 연구에서는 유기인화합물의 일종은 paraoxon과 captan을 동시에 측정하는 것이 가능하다는 것을 증명하였으며 측정한계농도는 각각에 대해 2 ppm 수준이었다 (19).
문제는 단백질 칩이 상업적 제품화의 관점에서 수월한 기술만은 아니라는 사실이다. 첫째 DNA 칩에 비해 시장진입이 늦었다. 둘째 해당 단백질의 확보 가용이 하지 않고 변성되기 쉽다.
이를 위해서는 담체 위에 고정화된 효소의 활성이 유지되게 하는 기술개발이 수행되었다(1, 2). 효소를 고정화하는데 유기용매를 사용하는 기술이 적용됨으로써 친수성 이온 종에 의한 저해작용을 줄일 수 있었고 미생물에 의한 오염이 제거되어 센서의 수명을 연장시킬 수 있었다. 이러한 유기용매 상에서의 고정화기법은 흡착기법, 유기 또는 무기 matrix 내에의 포괄법 등 수많은 발전이 이루어졌다(3, 4).
후속연구
따라서 많은 연구자들이 유기인화합물 측정을 위한 AChE 효소센서를 개발하였는데, 이들은 충전층 효소 반응기나 튜브형 효소반응기를 이용한 것으로써 기질의 물질전달 제한, 효소배열의 불규칙성 등의 단점을 가지고 있었다(14, 15). 따라서 본연구진은 Langmuir-Blodgett (LB) 고정화기법을 이용하여 ACh旧를 방향성을 가지게 고정화시킴으로써 측정민감도를 높인 효소센서를 개발하였다(16), 하지만 이 센서는 산성을 가지는 효소반응생성물을 pH sensitive 염료를 이용하여 흡광도를 즉정하는 방법을 사용한 것으로써 간접적 측정방법으로서의 한계를 가지고 있었다. 또한 pH 변화에 의한 효소의 불활성화라는 문제를 필연적으로 가지게 되었다.
학문의 융합으로 탄생된다. 이는 학문으로의 단백질체학 뿐만 아니라 그 이용 범위가 DNA 칩에 비해 광범위하기 때문에 환경모니터링 뿐 아니라, 질병의 진단 및 단백질 발현 및 기능 연구, 신약 물질 개발에도 응용 가능성을 가진다.
관찰되었다. 이상의 방법들로는 단백질을 발굴하고 규명하기까지 많은 시간과 비용이 소요되며 재현성을 기대하거나 연구자간의 표준화 및 자료 은행 구축이 어렵고 단백질체학에 적용하기 무리가 따른다. 따라서 단백질 칩을 위한 단백질 분석 방법으로는 형광분석방법, 질량분석 방법, 표면 플라즈몬 공명방법 (SPR: Surface Plasmon Resonance) 등의 다양한 기술들이 제시되고 있다(59-61).
셋째 생물학적 표면 제조의 어려움 등 기술적 난이도에 비해 제조원가는 높은 편이다 (57, 58). 이상의 한계를 극복한다면 단백질 칩은 특유의 광범위한 연구개발 가능성을 실현시킬 수 있을 것으로 예상된다.
단백질체학에 필수적으로 이용될 수 있는 핵심기술이자 상기단점을 극복할 수 있는 기술이 바로 수십-수백의 단백질 혹은 리간드를 2차원 평면상에 고집적 고효율로 고정시켜동시다발적 분석을 꾀하는 단백질 칩 (protein cldp)이匸} (52-55). 인체를 구성하는 단백질이 백만 개를 넘을 것으로 알려진 만큼 이러한 단백질 칩을 이용하면 질병 진단, 단백질 발현 및 기능 연구, 단백질 상호 작용 연구, 신약 개발, 식품, 환경 등 다양한 분야로의 응용이 가능할 것으로 기대된다(56).
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