KOSEN 한인과학기술자네트워크

화학공학과 생물학을 기초로 생겨난 생명공학은 생명체에서 일어나는 기본 메커니즘을 이해하고 화학공학 이론들을 도입하여 대량생산이 가능한 고순도 천연 생리활성 물질생산, 복합진단기기 또는 정보처리 소자개발 등에 응용하고자 하는 학문으로서 전자, 정보통신, 나노신소재, 의료, 환경등과 함께 21세기에 가장 유망한 첨단학문 중 하나입니다. 본 연구실은 세포학, 분자생물학, 생화학, 면역학, 미생물학, 유전학, 항체공학, 단백질공학, 물리학, 화학공학, 유전자 재조합 기술, 생명체 내에서의 물질 및 정보전달 메커니즘의 해석과 모델링, 생물 공정의 설계 및 제어, 고순도의 생성물을 얻기 위한 생물분리기술과 같은 전반적 생명공학적 지식을 토대로 진단용 단백질 칩 개발, 메모리 기능을 갖는 생물전자소자 개발, 환경모니터링을 위한 극저농도 바이오센서 개발, 세포의 활성 및 대사과정을 실시간으로 모니터링 할 수 있는 세포칩 개발에 대한 연구를 수행하고 있습니다. 진단용 단백질칩 기술은 현재 임상 및 생물학적으로 널리 이용되고 있는 효소면역분석법(ELISA)을 이용한 검사기술의 측정한계를 극복하여, 궁극적으로 실시간대에 다성분 동시측정이 가능한 검출시스템으로서, 본 연구실에서는 병원성 미생물 및 독성물질을 대상으로 간편하면서도 신속, 정확한 검출을 수행하기 위한 나노기술(Nanotechnology)을 응용한 생물분자 고정화 기술과 고감도 측정기술에 초점을 두어, 이와 관련된 여러 연구가 수행되고 있습니다. 생물전자소자 분야는 생물 분자의 전자 전달 기능을 이용하여, 궁극적으로 생체의 뛰어난 매커니즘을 모방한 차세대 정보 저장용 메모리 소자를 제작하고자 하는 연구입니다. 생물 전자 소자는 물리학을 기반으로 한 양자 우물 반도체, 화학을 기반으로 한 탄소 나노 튜브 반도체와 더불어 나노 기술과 바이오 기술을 접목한 이와 같은 연구는 현재의 실리콘 반도체가 맞닥뜨린 물리적ㆍ기술적 한계를 극복할 새로운 기술로 각광받고 있습니다.

본 연구실은 나노바이오 기술의 선두주자를 목표로 나노바이오전자소자, 나노바이오센서, 셀칩 등에서 연구를 수행하고 있다. 주요 연구 분야를 소개하면 다음과 같다.

최근 나노기술의 발달과 함께 유기분자에 정보를 저장하는 분자전자소자에 대한 다양한 개념이 제시되고 분자수준에서 작동되는 소자들이 개발되고 있다. 1989년에는 Hopfield 연구팀에 의하여 Shift Resister Memory의 개념이 제안되었고, 1991년에는 Saito 연구팀에 의하여 Fractal Memory 기능이 연구되었으며, Lindsey 연구팀에서는 정보저장장치를 이용하여 개별 분자수준에서 접근하였다. 본 연구실은 1994년부터 생체분자 Hetero LB 층을 사용한 Shift Resister Memory에 대해 연구해왔다. 또한 최근에는 이러한 생물분자의 전자 소자 가능성을 기존의 전기적인 장치뿐만 아니라 전기화학적인 시스템에 접목하여 생체분자의 안정성을 확보하며 분자소자로서의 가능성을 타진해 보는 연구를 진행중이다. 분자정보저장장치의 가장 기본적인 원리는 금속 표면에 고정화된 산화ㆍ환원 분자의 산화 상태에 전자를 저장하는 것이다. 이렇게 제시된 분자정보저장장치는 분자의 성질과 차원 그리고 전자의 보유시간을 향상시킬 수 있고, 다차원의 정보저장장치를 만들 수 있으며, 운전 전력을 낮출 수 있다는 장점이 있다. 그리하여 정보저장을 할 수 있는 테라비트급의 메모리장치를 가능하게 하였다.

본 연구실은 생물분자를 이용하여 분자 수준의 초 박막을 제작하고, 한 방향 전자전달 현상을 이용하여 Bio Photodiode에 대한 연구를 수행한 바 있으며, 나아가 구성된 분자 막의 Redox Property를 이용하여 새로운 개념의 메모리소자를 구축하고자 한다. 분자메모리란 말 그대로 분자 단위에서 단 몇 개의 전자만을 컨트롤 함으로써 메모리 기능을 구현하는 장치이다. 이에 대한 기존의 연구는 대개 유기 합성물질을 가지고 이루어졌다. 그 대신에 금속 단백질과 같은 생물분자를 사용한다면, 새로운 차원의 전자 전달 기능을 관찰할 수가 있다. 이는 궁극적으로 무기소자의 집적 한계성을 극복한 고집적 메모리 기반 기술을 제공할 것이다.

나노바이오센서분야는 나노수준의 고정화 기술, 나노 패턴 기술, 전기적 신호발생 및 주사 터널링 현미경을 이용한 측정 기술들을 이용하여 기존 단백질칩 개발의 문제점이었던 단백질 활성 유지, 단백질의 방향성 제어 및 집적도 향상 문제를 해결함과 동시에 고정화 생물소재의 분자레벨 특성의 연구를 진행하고 있다.

특히, 나노바이오 기술의 DNA칩, 바이오센서 어레이 및 생물전자소자 분야에 응용 가능성과 조작이 복잡하고 시약의 취급을 요구하는 현존하는 진단기기들의 기능을 자동으로 수행하게 함으로써 랩칩 형태의 초소형 분석시스템을 구축하는 연구를 수행하고 있다. 이러한 기술들은 진단, 신약개발, 식품 및 환경모니터링 분야에서 다양하게 적용될 각종 바이오 측정기기들의 상용화에 기여하리라 전망된다.

세포칩은 기존의 바이오칩에 한걸음 더 나아간 신개념의 바이오칩으로 기존에는 DNA, 단백질을 기반으로 세포의 반응을 추측했던 것에서 나아가 세포 자체의 활성과 상태를 측정할 수 있는 세포기반 바이오칩의 개발이다. 기존에 행해지던 RNA와 단백질의 발현준위에 기반을 둔 세포 모델링의 이해는 세포자체가 그 구성성분의 복잡한 메커니즘을 가지기 때문에 매우 어려운 일이었다. 하지만 점차 세포 자체에 대한 정보의 필요성이 높아짐에 따라 지난 몇 년간 약물처리 실험과 외부 자극에 의한 세포반응연구에 대한 관심은 점차 증대되어 왔고 본 연구실은 다 년간 DNA칩 및 단백질칩을 만들어 온 것을 기반으로 차세대 기술인 세포칩 연구를 진행하고 있으며 일반적으로 행해지고 있는 광학적 기법을 기반으로 한 세포 활성의 연구 뿐만 아니라 전기적 방법을 이용한 세포 측정을 연구함으로써 보다 더 실용적이고, 상용화 가능한 세포칩의 연구를 수행하고 있다.

본 연구실은 미국 캘리포니아 공대 (Caltech), 일본 동경대학교, 영국 더햄 (Durham) 대학교와 국제 교류 및 협력을 통해 연구성과를 극대화 하고자 노력하고 있으며 공동연구와 관련된 다수의 연구업적이 이미 발표된 바 있다. 생명체 내의 현상을 모방하거나 응용하여 실생활에 유용한 상품을 만들기 위해 나노바이오전자 연구실에서 오늘도 꾸준히 진행되고 있다.

본 연구실에서는 특히, 학제간 연구(NT-BT-IT)인 나노바이오 기술을 중점기술로 이용하고 있다. 나노바이오표면을 조립할 수 있는 장비인 LB Trough, Nano Imprinter, Spin Coater, Microarrayer, Micro Contact Printing 등이 있고 조립된 나노바이오표면분석을 위한 툴인 SPMs(AFM, MFM, STM, EFM, Confocal AFM..), SPR이 있다.

나노바이오전자 연구실 (NBEL)은 나노바이오전자소자, 나노바이오센서, 셀칩을 중점적으로 연구하는 연구실로 현재, 최정우 교수님은 한국바이오칩학회장을 맡고 있고 정미, 안정희, 이지영 박사님이 연구교수로 재직 중에 있으며, 서강대 오병근 교수님, 경원대 민준홍 교수님과 연계하여 다양하고 활발한 연구활동을 진행하고 있다. 매년 20여 편 이상의 논문 (SCI급)과 국내ㆍ외 학회에서 많은 기조 강연을 하고 있으며, 바이오전자사업, 뇌과학 원천기술 연구사업, 환경기술개발사업 등의 여러 프로젝트를 성공적으로 수행하고 있다. 재학생으로는 박사과정 7명, 석사과정 7명, 학부연구생 1명으로 총 15명이 활동하고 있으며, 연구실 졸업생은 박사 7명, 석사 30명에 이른다.

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