보고서 정보
주관연구기관 |
한국생명공학연구원 Korea Research Institute of Bioscience and Biotechnology |
연구책임자 |
정봉현
|
참여연구자 |
정주연
,
강태준
,
정진영
|
보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
|
발행년월 | 2013-06 |
주관부처 |
과학기술정보통신부 Ministry of Science and ICT |
등록번호 |
TRKO202100004152 |
DB 구축일자 |
2021-07-10
|
초록
▼
I. 과제개요
1. 제안배경
□ 20세기 동안 보건의료 분야의 눈부신 발전에도 불구하고 감염성 바이오 유해물질은 전 세계적으로 엄청난 사회불안과 함께 막대한 경제적 손실을 초래하고 있다.
ㅇ 2009년도 전 세계를 강타한 신종플루 H1N1에 의해서 엄청난 사회 경제적 피해가 발생하였다 (250 ~ 300억 달러).
ㅇ 2012년 발생한 신종 코로나 바이러스에 의해 2013년 현재까지 33명의 사망자가 발생하였다.
ㅇ 최근 국내에서도 감염성 유해물질에 대한 우려가 국가/사회적 이슈로 부각되고 있다
I. 과제개요
1. 제안배경
□ 20세기 동안 보건의료 분야의 눈부신 발전에도 불구하고 감염성 바이오 유해물질은 전 세계적으로 엄청난 사회불안과 함께 막대한 경제적 손실을 초래하고 있다.
ㅇ 2009년도 전 세계를 강타한 신종플루 H1N1에 의해서 엄청난 사회 경제적 피해가 발생하였다 (250 ~ 300억 달러).
ㅇ 2012년 발생한 신종 코로나 바이러스에 의해 2013년 현재까지 33명의 사망자가 발생하였다.
ㅇ 최근 국내에서도 감염성 유해물질에 대한 우려가 국가/사회적 이슈로 부각되고 있다.
- 대유행 인플루엔자가 국내에 발생할 경우 최대 7.8%의 GDP 규모축소가 예상된다 (2007, McKibbin and Sidorenko).
- 우리나라 대유행 감염병 위기지수는 매우 위험등급으로 평가되고 있다 (2012, Maplecroft社).
□ 국가 재난형 바이오 유해물질*의 신속한 현장 검출 및 모니터링이 새로운 이슈로 등장하였다.
* 국가 재난형 바이오 유해물질 : 신·변종 바이러스, 슈퍼 박테리아, 바이오 독소 등
□ 융합형 원천기술 개발을 통한 감염성 유해물질 진단 및 모니터링 시장 선점 및 개척이 필요하다.
□ 건강하고 안전한 미래사회 구현을 위해 국가 위기초래 유해물질에 대한 종합적 감시/대응 시스템 (Portal Shield System*)의 구축이 요구된다.
* Portal Shield System이란?
바이오 유해물질을 유입 초기단계에서부터 모니터링하여 확산을 방지하는 시스템
□ 이에 본 사업단에서는 다양한 현장 및 유해물질에 대한 조기 검출 시스템(H-GUARD, Health - Global Ubiquitous Autonomous Rapid Detection)을 개발하여 미래사회의 안전망 구축에 중추적인 역할을 하려고 한다.
2. 과제 개념 및 범위
□ H-GUARD*란 무엇인가?
* H-GUARD란?
(Health - Global Ubiquitous Autonomous Rapid Detection) 바이오 유해물질 포집-전처리-검출-신호전송이 가능한 실시간 연동형 통합 시스템 및 네트워크
ㅇ H-GUARD를 통해 국가 재난형 질병에 대한 조기 검출 시스템을 구축하여 안전한 미래사회를 구현한다.
ㅇ H-GUARD와 관련된 신개념 원천기술 개발 및 사업화를 통해 글로벌 시장을 선점하고 신산업을 창출한다.
□ H-GUARD가 검출하는 바이오 유해물질은 무엇인가?
ㅇ H-GUARD가 검출하는 타겟으로는 H1N1와 같은 국가 재난형 신·변종 인플루엔자 바이러스, MRSA와 같은 다제내성 슈퍼 박테리아 등을 일차적으로 선정하였으며, 신종 코로나 바이러스, 살인진드기 바이러스와 같은 신종 감염병 등도 향후 국가 사회적 필요성에 따라 포함이 가능하다.
ㅇ 이러한 바이오 유해물질 타겟 선정 근거는 정부에서 수립한 재난, 재해 연구개발 투자전략 및 국가 감염병 위기 대응기술개발 추진전략에서 선정한 중점분야로부터 기술 개발의 시급성이 높고 확산에 따른 사회적 파급력이 높은 타겟을 중심으로 도출하였다.
□ H-GUARD는 어떠한 개념요소로 정의될 수 있는가?
ㅇ 감염성 바이오 유해물질의 실시간, 초고속, 초고감도 검지가 가능한 H-GUARD 개발을 위한 핵심 개념 요소는 다음과 같다.
- H-GUARD에 적용 가능한 신개념 3D 나노-마이크로 하이브리드 구조체*
- 실용화를 위한 바이오 컨텐츠와 BT/NT 인터페이싱 기술
- 실시간 현장검출을 가능하게 하는 한계 돌파형 BT/IT/NT 융합 원천기술
* 3D 나노-마이크로 하이브리드 구조체란?
수십 nm ~ 수 μm 크기의 구조체에 수 nm ~ 수십 nm 크기의 기능성 바이오소재 및 나노소재가 결합된 3차원 구조체 (생체분자 기반 나노 하이브리드 구조체, 적층식 복합 나노구조체, 전기수력학 기반 core-line/core-shell 나노구조체 등)
☞ 3D 나노 구조화기술은 광학적/전기적/전기화학적/물리적 검출을 계층적으로 가능하게 하고, BT와의 융합을 통해 바이오 유해물질 다중 검출을 가능하게 함
□ H-GUARD에 의해 미래사회는 어떻게 변할 수 있는가?
ㅇ 본 사업을 통해 개발될 H-GUARD는 한 가지 형태의 시스템이 아니라 다양한 모델로 제작될 수 있다. 예를 들어, 대중교통 (H-GUARD Transportation), 공공장소(H-GUARD Public), 가정 (H-GUARD Home), 병원 (H-GUARD Diagnosis), 휴대용(H-GUARD Mobile)과 같은 상상할 수 있는 모든 장소에서 가동됨으로써 바이오 유해물질에 의한 감염병, 생물 테러 등으로부터 완벽하게 안전한 미래사회를 구현 할 수 있을 것이다.
3. 사업 철학과 부합성
□ 글로벌 (Global): 세계 최고수준의 원천기술 확보가 가능한 사업
ㅇ 이미 세계적 연구수준에 이른 국내 나노 및 바이오 연구 분야의 연구팀들은 H-GUARD 구현에 있어 높은 역량을 보유하고 있으며, 3D 나노 구조체 기술을 바이오 유해물질 검출 및 모니터링에 적용하는 융·복합 연구를 통하여 기존기술의 한계를 극복할 수 있는 전략을 제시하고 있다.
□ 기초원천 (Ground Breaking): 기존 기술의 한계를 돌파하는 혁신적이고 독창적인 기술
ㅇ 3D 나노 구조체 제작의 원천기술 개발과 동시에 바이오 유해물질에 대한 깊은 이해를 바탕으로 기존기술의 한계를 극복할 수 있는 원천기술을 개발하여 H-GUARD를 구현하고자 한다.
□ 융합연구 (Group Approach): 기술 분야 및 학제 간 융합연구가 필수적인 사업
ㅇ 다양한 조건에서 바이오 유해물질을 포집하기 위하여 환경, 바이오 기술의 융·복합 연구와 포집된 유해물질의 특이적이며 고감도 검출을 위하여 바이오기술과 나노 기술이 접목된 새로운 융·복합 기술을 개발하고, 현장 적용을 위하여 BT, IT, NT 분야 최첨단 기술들의 융·복합 연구를 수행하고자 한다.
□ 미래성장 (Growth and Sustainability): 10년 후 해당 또는 연계 분야에 광범위한 영향을 미칠 수 있으며, 산업계에 파급되어 국가 성장 동력화가 가능한 사업
ㅇ 본 사업을 통하여 막대한 경제사회적 피해방지와 함께 연간 1,300억 달러에 이르는 세계 진단 및 모니터링 시장 (BCC Research 2012)에서의 원천기술 확보를 통해 선도적 위치를 선점할 수 있다. 또한, 기술, 지식의 확보만을 목표로 하는 분절형 연구 개발이 아닌 새로운 생태계를 창조하는 연구 개발을 통해 국가 신성장 동력을 발굴하고 시장을 개척하는 것이 가능하다.
4. 연구개발 지원 필요성
□ 바이오 유해물질 검출 분야의 경우, 현재까지 산발적인 연구가 이루어져 왔으나 이를 융합한 전주기적 내용을 포괄하는 BINT 융·복합 헬스가드 연구와 같은 대형연구사업은 수행된 바 없는 것으로 조사되었다.
□ 기존의 소규모 연구형태로는 한 차원 높은 수준의 바이오 유해물질 검출 시스템 개발, 실용화 연계 및 portal shield system 구축이 매우 어렵기 때문에 다양한 분야의 연구자들이 협력, 융합하여 실용화 목표를 갖고 연구를 수행하는 대형 연구사업이 반드시 필요하다.
□ 정부의 감염성 바이오 유해물질 관련 사업은 백신개발 및 치료 등에 집중되어 있어, 안전한 사회구현을 위한 조기검출/대응 시스템의 개발이 필요하다.
□ BINT 융·복합 헬스가드 연구사업은 정부의 주요 국정과제 (2013 재난, 재해 연구개발 투자전략, 2012 국가 감염병 위기대응기술개발 추진전략 등)에 부합한다.
5. 관련 R&D 동향 및 기술수준 분석
가. 국내외 정책 동향
□ 미국, 일본, EU, 중국 등에서 국가차원의 감염성 유해물질 대응 시스템 관련 프로젝트들을 수립하고 있다.
ㅇ 미국 국가 생물 감시 전략 수립 및 국토 안보부 BioWatch 프로젝트, 일본 신흥 감염증 통제 방안 등
□ 국가과학기술위원회는 2013년 재난, 재해 연구 개발 투자전략을 확정하였다.
□ 2012년 범부처 국가 감염병 위기 대응 기술 개발 추진전략이 수립되었다.
나. 국내외 연구개발 동향
□ 선진국을 중심으로 국가적 대응 전략에 따라 다양한 유해물질 검출 시스템 개발이 추진되고 있다.
ㅇ 미국 Lawrence Livermore National Laboratory의 Biowatch개념 통신 네트워크, PositiveID Corporation사의 Microfluidics-based Bioagent Networked Detector(M-BAND) 등
□ 기존 항체기반 ELISA와 PCR기반의 기술의 한계점을 극복하고 다양한 환경 및 타겟에 대한 유해물질 현장 검출을 위한 새로운 용·복합 원천 기술이 요구 되고 있다.
다. 논문 및 특허 분석 결과
□ BINT 융·복합 헬스가드 연구 분야는 지속적인 성장세를 보이며 앞으로의 중요성이 더욱 강조될 것으로 판단된다.
□ 나노 구조체 제작 관련 기술은 우리나라가 세계적으로 선도적 기술을 확보하고 있음을 알 수 있으며, 이러한 기술을 이용해 세계 최초로 대면적화/양산화가 가능한 나노 구조체 개발이 실현 가능한 것으로 조사되었다.
□ 바이오 컨텐츠 관련 분야 기술은 항체 고정화 기술이 대부분이며 예측형 컨텐츠 및 슈퍼 리셉터, BT/NT 인터페이싱 기술은 공백기술인 것으로 파악되었다.
□ 전처리 및 센싱 시스템 관련 분야 기술은 PCR에 기반한 연구가 활발히 이루어 지고 있고 전처리와 센싱이 연동되는 기술은 크게 부족한 것으로 나타났다. 또한, 바이오 유해물질의 포집-전처리-검출-신호전송이 가능한 본 사업에서 제시한 H-GUARD와 같은 통합시스템의 개발연구는 시도되지 않은 것으로 조사되었다.
라. 시장분석
□ 전 세계 바이오 유해물질 진단 및 모니터링 시장은 연평균 12.5%의 증가율을 가지고 2013년 약 900억 달러에서 2016년 약 1,300억 달러로 성장할 것으로 예상된다 (출처 : BCC Research 2012).
□ 이 중 감염성 유해물질 진단시장은 2012년 300억 달러 규모에서 2017년 약 400억 달러 규모로 증가하면서 전체 체외진단시장의 70%수준을 유지할 것으로 예상된다 (출처 : Frost & Suillivan 보고서 및 Nat. Biotech. 2007).
마. 제안 기술의 차별성 및 원천기술 확보 가능성
□ 본 사업의 목표달성을 위하여 “3D 나노 구조체 기술, 바이오 컨텐츠 예측/가공 및 유효성 평가기술, 실시간 연동형 전처리 및 센싱 시스템 기술”의 3가지 핵심기술을 도출하였으며 각 핵심기술의 차별성과 원천기술 확보 가능성은 다음과 같다.
□ 3D 나노 구조체 기술
ㅇ 3D 마이크로 채널구조에서 나노패턴을 전 채널표면에 전사할 수 있는 기술과 비접촉으로 전기장 및 자기장을 이용하여 선폭을 10 nm이하로 제작하고 코어쉘 및 코어라인 구조를 제작할 수 있는 리소그래피 기술은 세계 최고수준의 원천기술을 확보할 가능성이 매우 높은 기술이다.
ㅇ 3D 나노다면체의 초정밀-대량 합성 및 실용화가 가능한 나노다면체 설계는 경제적 파급효과가 클 것으로 기대되고 있다. 전 세계적으로 연구 초기 단계에 있으므로 본 사업단의 선행기초연구결과 (Nat. Mater. (2010), Nat. Nanotech. (2011))를 이용하여 원천기술을 개발할 경우 실용화 연계가능성이 매우 높다.
□ 바이오 컨텐츠 예측/가공 및 유효성평가 기술
ㅇ 기존 항체 기반 리셉터의 한계를 극복하기 위하여 단순히 단일 리셉터의 개량이 아닌 다수의 리셉터 collective 결합을 이용한 생체분자 초분자체를 이용하고, 표면에 다수의 항원이 display되어 있는 바이러스나 세균 등의 특성을 활용하여 나노 구조체 상에서의 공간적인 조절을 통해 새로운 super 리셉터 원천기술을 확보하여 특이성, 결합력, 안정성을 극대화 할 수 있을 것이다.
ㅇ 유행하는 바이러스의 virologic and biological 특성에 따라 실제 재조합의 pattern을 대분류하고, 이를 통해 얻어진 변종, 또는 dominant한 바이러스를 선발하여 출현할 바이러스에 대한 예측의 범위를 획기적으로 줄일 수 있는 원천기술을 확보할 수 있다.
□ 실시간 연동형 전처리 및 센싱 시스템 기술
ㅇ 대기를 직접 포집하여 공기 중 병원체의 검침 및 경보가 가능한 시스템에 대한 연구는 국내 뿐 아니라 국외에도 전무한 상태로 매우 독창적인 연구이기 때문에 원천기술 확보 가능성이 매우 높다.
ㅇ 3D 어레이 구조를 활용하여, 반응속도나 노이즈 특성 면에서 기존 센서의 근본적인 한계를 극복하려는 노력은 최초로 수행되는 것으로 본 연구단은 이러한 신개념 나노바이오 소자에 대한 우수한 선행기초연구경험 (Nat. Nanotech. (2007), Nat. Mater.(2008))을 가지고 있으므로 원천 기술 확보 가능성이 매우 높다고 할 수 있다.
(출처 : 요약문 5p)
목차 Contents
- 표지 ... 1
- 제 출 문 ... 3
- 요 약 문 ... 5
- 목차 ... 21
- 그림표목차 ... 22
- I. 과제개요 ... 26
- 1. 제안배경 ... 26
- 2. 과제 개념 및 범위 ... 35
- 3. 사업 철학과 부합성 ... 40
- 5. 관련 R&D 동향 및 기술수준 분석 ... 45
- II. 연구개발 추진계획 ... 87
- 1. 비전 및 목표 ... 87
- 2. 핵심과제 및 세부과제 구성 및 내용 ... 88
- 3. 연구개발 추진체계 ... 137
- 4. 연구개발 추진전략 ... 143
- 5. 기대성과 및 활용방안 ... 145
- 6. 연구개발 로드맵 ... 147
- 7. 자원 배분계획 ... 149
- III. 연구단 운영 및 관리 계획 ... 152
- 1. 연구단 운영의 기본방안 ... 152
- 2. 연구단 지원조직의 구성체계 및 역할 ... 153
- 3. 연구단 운영·관리방안 ... 154
- 4. 연구 성과 활용·확산 방안 ... 158
- [참고자료 서식1] 연구단장 신청자 이력서 ... 160
- [참고자료 서식2] 연구단장 연구 및 관리능력 평가자료 ... 161
- [참고자료 서식3] 연구단장 소속기관 지원활동계획서 ... 177
- [참고자료 서식4] 연구단장 소속기관 연구지원 동의서 ... 179
- [참고자료 서식5] 부록 ... 180
- 끝페이지 ... 215
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