21세기는 나노기술의 시대다. 10억 분의 1m의 길이를 다루는 나노기술의 발달로 그 이전에는 상상도 못했던 첨단 기술제품들이 쏟아져 나오고 있다. 특히, 원자 수준의 크기로 물질을 취급할 수 있는 나노기술은 난치병과 같은 질병을 치료하는 데 유용하게 쓰일 전망이다.

지난 19일(수) 국립서울대병원 내 연건캠퍼스 임상의학연구소 강당에서는 미래 첨단 나노기술의 의학적 적용을 통해 획기적인 질병치료의 길을 모색해 보는 자리인‘제2차 관악과 연건의 만남’ 심포지엄이 열렸다.

이날 심포지엄에는 서울대 자연과학대, 공대, 의대 등의 교수들이 한자리에 모여 나노기술이 현재 어떻게 의학에 적용되고 있는지에 관한 강연을 펼쳤다.

사람 세포와 비슷한 합성 나노물질 연구

서울대 자연과학대 합성나노바이오 연구실 (Synthetic Nanobioscience Lab)의 남좌민 교수는 합성된 (무기)나노물질로 복잡하고 새로운 특성과 구조를 가진 기능성 나노구조를 생명과학과 의학 연구에 이용하는 방법에 관해 발표했다.

남 교수는 “먼저, 크기가 균일하고 모양과 조성이 일정한 기초 나노물질을 만들어 내는 것이 중요하다”며 “이 기초 나노물질은 대부분 무기물질이 많으며, 금입자나 은입자 외에도 퀀텀 닷(quantum dot), 나노와이어(nanowire) 등에 쓰인다”고 말했다.

또 “현재 이러한 물질들로 원하는 성질을 가질 수 있도록 개량된 새로운 여러 가지 나노물질을 합성하는 방법이 연구되고 있다”며 “향후 이 합성된 물질을 전자 현미경이나 원자힘 현미경(atomic force microscope), 광학현미경(optical microscope), 자외선-가시광선 분광기(UV-Vis spectrometer) 등의 여러 분석방법을 이용, 효과적으로 특성화(characterization)하고 만들어진 물질의 새로운 물리·화학적 특성을 검사하는 방법도 연구에 포함된다”고 밝혔다.

남 교수는 또 “이렇게 원하는 물리·화학적 성질을 가진 기초 나노물질을 합성해 특성화한 후, 여기에 응용에 필요한 기능을 가질 수 있도록 생체물질이나 광신호(optical signal)를 줄 수 있는 여러 가지 기능성 물질들을 기초 나노물질의 표면에 효과적으로 변형시킬 수 있는 다양한 방법들이 연구되고 있다”고 말했다.

이어 “그 사례를 들면 DNA나 단백질 또는 생화학 물질들을 나노물질에 혼합(hybrid)시키는 경우, 기초 나노물질의 특이한 물리 화학적 성질을 유지해야 한다”며 “동시에 연구코자 하는 생화학 물질의 특성도 잃지 않도록 두 물질을 효과적으로 혼합시킬 수 있는 방법의 개발이 요구된다”고 설명했다.

남 교수는 “원하는 성질과 구조를 가지게끔 만들어진 이 나노물질을 기본 단위로 용액상이나 표면상에서 원하는 생물학적, 물리화학적 성질을 지닌 좀 더 복합적인 구조나 패턴을 만들 수 있는 여러 가지 연구가 진행되고 있다”고 밝히고 “이 초미세 다기능 나노물질과 이를 마음대로 조절할 수 있는 지식과 기술을 여러 가지 중요하고 흥미로운 세포 나노미세환경(cellular nano/microenvironment), 바이오센서(biosensor), 세포 분석법(cell assay), 질병 진단(disease diagnostics) 연구 등에 적용할 것이다”고 말했다.

또 “이는 다양한 구조와 조성으로 이루어진 실제 세포 주변의 환경을 모방한 나노구조를 이용해 물리적, 화학적 환경을 미세하게 바꿔줌으로 인해서 생기는 세포의 변화를 이해하는 것이다”며 “우리가 원하는 형태로의 세포변화를 유도하는 연구들이 중요한 응용 사례라고 할 수 있다”고 말했다.

무효소 혈당 및 나노탐침형 센서 개발

서울대 의대 의공학교실 김희찬 교수는 100nm 이하의 크기에서 고유한 특성을 갖는 나노 구조체를 이용한 나노바이오센서(nano biosensor)의 개발에 대해 발표했다.

김 교수는 “이 연구는 백금전극 표면에 나노미터 크기의 구멍이 뚫려 있는 나노동공 백금 전극을 이용한 무효소 혈당센서 개발과 가는 막대기 형태의 탄소나노튜브를 이용한 나노탐침형 바이오센서에 대한 연구 결과이다”며 “비효소성 혈당센서란 기존의 혈당센서들이 당산화효소라는 효소 단백질을 당 분자의 감지물질로 사용하고 있는 상황에서 효소를 사용하지 않는 새로운 개념의 혈당센서다”라고 말했다.

즉, 이 혈당센서는 주변 온도나 습도에 영향을 받지 않으면서도 개별 조정이 필요하지 않고 유효기간이 확장되며 제품가격도 획기적으로 줄일 수 있는 새로운 개념의 혈당센서라는 설명.

김 교수는 개발 동기에 대해 “백금 전극의 표면에 나노스케일의 동공을 만들고 이러한 전극 표면에서 당분자가 비타민C나 아세트아미노펜과 같은 전기적 활성도가 큰 방해물질에 비해 산화전류가 급증한다는 사실에 착안했다”며 “이를 통해 효소를 사용하지 않고도 당분자에 대한 선택도와 감도가 우수한 센서를 만들 수 있음을 확인할 수 있었다”고 말했다.

아울러, “이 나노바이오센서의 시제품을 제작한 결과, 효소형 센서에 비해 여러 가지 우수한 특성을 보여줌으로써 상품화의 가능성을 확인했다”고 덧붙였다.

또 김 교수는 나노탐침형 바이오센서에 대해 설명하면서 “이는 텅스텐으로 만든 탐침홀더의 끝에 다중벽 탄소나노튜브를 융합, 수 나노미터 스케일의 나노탐침을 만든 것이다”고 설명하고 “탄소나노튜브의 끝부분만을 제외한 전체 탐침을 절연시킨 뒤에 이를 사용해 도파민과 글루타메이트와 같은 신경전달물질에 대한 바이오센서를 제작, 성능평가를 실시했다”고 말했다.

김 교수는 그 결과에 대해 “이 센서를 통해 단일 신경세포를 살아있는 상태로 유지하면서 다양한 전기, 기계적 자극 전달, 신경전달물질의 직접 측정, 외부 전달물질의 주입 등이 가능한 새로운 개념의 연구도구로서의 활용이 기대된다”고 밝혔다.