세 가지 역할을 동시에 수행하는 그래핀 기반의 바이오센서

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-01-16

나노기술의 가장 유망한 점 중의 하나는 사람의 세포가 하는 방식으로 생물학적 세계에서 상호작용할 수 있다는 점이지만, 현재의 바이오센서는 한 가지의 단백질만을 검출할 수 있도록 제조되고 있다. 또한 검출하고자 하는 단백질도 사전에 반드시 규명되어 있어야 한다. 펜실베이니아대학(University of Pennsylvania) 공학자들은 동시에 세 가지 방식으로 작용하는 새로운 종류의 그래핀 기반 바이오센서를 개발하였다. 단백질이 세 가지 다른 종류의 신호를 촉발시키기 때문에, 이 센서는 이 정보를 이용해 더 정확하고 섬세한 정보를 생성해 낼 수 있다. 동일한 칩 상에 다수의 물리적 감지모드를 독특하게 통합시킨 이 방법을 이용하면, 단백질 농도 감지 범위를 수 천 배 향상시킬 수 있다. 이 감지 범위의 확대로 특정 암의 초기진단에 특히 유용하게 활용될 수 있으며, 암 진단의 경우 혈액의 바이오마커 농도가 환자에 따라 많은 차이를 나타내기 때문이다. 또한 동일한 칩 상에서 동일한 바이오마커를 사용한 다수의 검출을 수행할 수 있는 능력은, 의료분야의 진단 실험에서 위양성(false positive) 및 위음성(false negative) 결과를 감소시킬 수 있는 잠재력도 있다. 결국, 이런 기술은 중량뿐만 아니라 광학적 및 전기적 성질을 통해 다양한 범위의 단백질을 규명하는 만능 바이오센서로서 활용될 수 있다. 오직 특정한 단백질만을 감지하는데 국한되지 않는 이런 바이오센서는 진단기기에 주요 분야를 차지하게 될 것이다. Nano Letters ("Optoelectromechanical Multimodal Biosensor with Graphene Active Region")지에 게재된 본 연구에는, 펜실베이니아대학 공과대학에서 조교수로 근무하는 Ertugrul Cubukcu 및 실험실 구성원인 Alexander Y. Zhu, Fei Yi, Jason C. Reed 및 Hai Zhu가 참여하였다. 전형적인 단일모드 바이오센서의 경우, 강력하게 결합하는 두 가지 단백질이 존재한다. 센서에 단백질 A를 부착해 놓으면, 단백질 B가 결합했을 때 센서는 이 결합을 일종의 전기적 신호로서 표현하게 된다. 그러나 이런 센서는 결합이 발생했는지에 대한 여부만을 알려주는 단순한 센서에 불과하다. 그러나 예를 들어 전하나 질량과 같은 모두 서로 다른 물리적 성질을 갖는 단백질 A, B, C 및 D가 있다고 생각해 보자. 만약 이런 특성들에 민감한 센서가 있다면, 각 결합의 차이에 대해서도 구분할 수 있게 될 것이다.한 번에 감지할 수 있는 모두가 증가할수록, 유사한 단백질들을 구분하는 능력이 더욱 증가한다. 단백질 A 및 B가 동일한 중량을 가지만 전하가 다를 수 있고, 단백질 B 및 C는 동일한 전하를 갖지만 광학적 성질이 다를 수 있다. 다양한 카테고리에서 자료를 획득하는 이런 다중센서(multimodal sensor)는 방대한 데이터베이스와 얻어진 값을 비교함으로써, 단백질의 규명을 더 정확히 해 낼 수 있다. 이런 능력은 잠재적으로 단백질의 성분이 알려지지 않은 샘들에 적용할 수 있으며, 이미 알려진 단백질의 존재유무를 감지하기 위해 사용되는 기존의 센서 기술을 크게 도약시키는 계기가 될 것이다. 이번에 개발된 센서는 단일 원자 두께의 탄소원자로 구성된 격자인 그래핀층(graphene layer)으로 코팅된 질화규소(silicon nitride) 베이스로 구성되어 있다. 탄소 기반으로 되어 있다는 의미는, 그래핀 표면에 단백질이 결합하기에 용이하다는 뜻이다. 즉, 기기에 단백질이 결합하도록 기능화시키는 수고를 덜 수 있다는 의미이다. 또한 그래핀의 매우 얇은 두께 및 독특한 전기적 성질은, 기계적, 전기적 및 광학적 모드를 상호간섭 없이 동시에 활용할 수 있도록 해 준다. 기계적 모드의 경우, 그래핀은 마치 드럼의 표면과 같다. 여기에 단백질이 결합하게 되면, 총 중량이 변화하고 총 중량에 대한 함수로서 드럼의 공명이 변화하게 된다고 Alexander Zhu는 설명하였다. 전기 모드의 경우, 전자가 어떻게 그래핀을 통과할 수 있는지 보여준다. 전도성은 내부에 가용한 총 운반자에 대한 함수이므로, 만약 그래핀에 무엇인가가 결합하게 되면 운반자의 수가 변화함으로써 전도성이 바뀌게 된다. 마지막으로, 광학 모드에서 가시광선을 이용해 센서에 비추고 반사를 측정하게 된다. 결합된 것이 없을 때와는 달리, 단백질이 결합하게 되면 굴절률이 변화하게 된다. 본 연구에서, 연구팀은 세 가지 모드가 동시에 작동하는지 보여주기 위해 잘 알려진 단백질 샘플을 이용해 실험하였다. 한 가지 샘플에서 세 가지 성질, 즉 중량, 전기 및 광학적 변화를 감지할 수 있었다. 향후 연구는 알려지지 않은 단백질 샘플을 규명하기 위한 다중센서의 타당성에 대한 것이다. 그림 > 기계, 전기 및 광학 모드의 바이오센서 원문정보: Nano Lett., 2014, 14 (10), pp 5641–5649, DOI: 10.1021/nl502279c 1-biosensor.jpg http://www.nanowerk.com/nanotechnology-news/newsid=38678.php