One-step pipetting and assembly of encoded chemical-laden microparticles
for high-throughput multiplexed bioassays
초고속 대용량 바이오 어세이를 위한
코드화된 고분자 미세입자 라이브러리 기반 바이오칩 개발
1. 연구진
정수은, 김지윤, 오동윤, 송영훈, 이승훈, 민승기, 권성훈*
*교신저자: skwon@snu.ac.kr
2. 연구진 소개
서울대학교 권성훈 교수 연구팀은 Nanofabrication, Photonics 그리고 BioMEMS 기술을 바탕으로 마이크로 유체기술 기반의 생화학 물질의 분석, 전달과 관련한 바이오 칩의 개발과 광학분석 분야 등 다양한 분야의 연구를 진행하고 있다. 2008년 Nature Materials의표지 논문, 2009년 Nature Photonics, 2010년 Nature Materials의 표지 논문, 2011년 Nature Materials의 논문 등을 포함하여 JACS (Journal of American Society of Chemistry), Analytical Chemistry, Lab on a chip, Small 등 해외 유수의 저널에 연구 내용을 발표하고 있다.
권성훈 교수는 1998년 서울대학교 전기공학부를 졸업하였고 2000년 서울대학교 의공학과에서 석사를 마쳤으며 미국 버클리 대학에서 바이오엔지니어링 박사 학위를 취득하였다. 2004년부터 2006년까지 Lawrence Berkeley National Laboratory의 Molecular Foundry에서 Postdoctoral Researcher이후 2006년부터 현재까지 서울대학교 전기정보공학부 교수로 재직하고 있다. 관심 연구 분야는 Microfluidics, BioMEMS, Bioengineering, Nanofabrication, Biophotonics 등이 있다.
3. 연구 배경 및 현황
하나의 신약을 개발하기 위해서는 10년이 넘는 시간과 천문학적 비용이 소요되기 때문에 많은 환자들이 적절한 가격의 약을 적절한 시기에 공급받지 못하고 있다. 또한 특정 질병을 치료하는데 효과가 있다고 검증된 약물이라 하더라도 그 질병을 가진 환자의 개별적 특성에 따라 치료의 예후가 달라지는 경우가 매우 많다. 그러므로 개별 맞춤 의약 시대를 맞이하기 위해서는 특정 질병에 효과가 있는 약물 혹은 약물의 조합을 빠르고 값싸게 찾아낼 수 있는 방법이 필연적으로 요구된다.
특정 물질이 질병에 효과가 있는지 알아보기 위해서는 화합물, DNA, 세포 등 바이오 물질 간의 반응 알아보는 과정인 바이오 어세이를 수행해야 한다. 현재 바이오 어세이를 수행하기 위해 기존의 실험실 단위에서 가장 많이 사용되는 방법은 사람이 직접 손으로 피펫팅을 하여 물질간의 반응을 알아보거나 자동화된 피펫팅 기계를 사용하여 실험을 수행하는 것이다. 하지만 직접 피펫팅을 하는 방법은 매우 노동 집약적이고 복잡도가 높다. 또한 한번의 실험에 필요한 시약의 양이 매우 많기 때문에 다양하고 많은 물질을 검증하기 위해서는 천문학적 어세이 비용이 소모된다는 단점이 있다.
서울대학교 권성훈 교수는 이러한 현재의 약물 검색 과정이 가지고 있는 문제들을 해결하기 위해 획기적인 초고속 복합 바이오 어세이 플랫폼을 개발하였다. 본 연구에서는 서로 다른 물질을 코드화된 미세입자 안에 삽입하고 이러한 미세입자들을 라이브러리화해 작은 칩 위에 자기조립 시키는 “Partipetting” 이라는 개념을 고안하였다. 이 방법을 이용하면 다양한 약물 후보 물질들이 조립된 바이오칩을 매우 싼 값으로 쉽게 만들수 있으며 약물 라이브러리 어세이를 위한 시간 역시 단축할 수 있다. 권성훈 교수 연구팀은 이 플랫폼을 활용해 실제로 바이오칩을 제작하였으며, 다양한 종류의 항암제 및 항암제 조합에 대한 세포 반응을 확인하는 실험을 통해 초고속 복합 약물 검색 플랫폼으로써의 가능성을 검증하였다. 본 연구 내용은 과학분야 최고 학술지인 Nature의 자매지, Nature Communications (IF: 10.015)에 3월 17일 온라인 게재될 예정이다.
(그림) 코드화된 미세 약물 입자와 약물 칩의 제작 과정
(그림) 어세이된 대용량 세포칩 (Scale bar: 1cm)
(그림) 초고속 대용량 바이오 어세이 분석 과정 (a-b) 약물 칩 분석 (c) 세포 칩 분석 (d) 어세이 결과 도출 (Scale bar: 1cm)
4. 연구 내용 및 방법
본 연구실에서 개발한 바이오칩을 활용한 바이오 어세이는 크게 1) 코드화된 미세입자를 사용한 약물 라이브러리 제작, 2) 미세입자를 기반으로 한 약물 라이브러리를 작은 미세 어레이에 자기조립한 약물 칩 제작, 3) 약물 칩과 세포칩의 합체를 통한 대용량 바이오 어세이 수행 그리고 4) 세포 반응 관찰 과정으로 나뉜다.
본 연구실에서 2006년에 개발한 광미세유체 마스크리스 리소그라피 기술을 이용해 코드화된 고분자 기반의 미세입자를 생산한다. 이 미세입자는 액체를 흡수하는 성질을 가지고 있기 때문에 각 코드별로 할당된 약물을 미세입자에 흡수시키고 말려서 각 약물 미세 입자를 제작하며, 이렇게 제작된 다양한 종류의 약물 미세 입자들을 한데 모아 약물 라이브러리를 제작한다. 미세 입자 한개가 하나의 바이오 어세이에 활용되는데, 미세 입자의 내부에 흡수되는 약물의 양이 수십 피코 리터에 불과하므로 한번의 어세이에 필요한 시약의 양을 획기적으로 감소시킬 수 있다.
앞서 준비한 다양한 종류의 약물 미세입자 라이브러리를 한번의 피펫팅 과정을 통해 칩 위에 자기조립하여 약물 칩을 제작할 수 있다. 이 약물 칩과 소량의 세포를 키운 세포 칩을 서로 합치면 하나의 약물 입자 당 하나의 어세이 공간이 확보되고, 이와 동시에 약물 미세 입자에서 약물이 흘러나와 세포와 반응하게 된다. 하나의 칩에는 매우 많은 어세이 공간이 있으므로 한번의 실험으로 매우 많은 어세이를 수행할 수 있으며 적은 양의 시약을 정확한 양으로 사용할 수 있어 실험의 정확도를 높일 수 있다.
약물과 세포를 충분히 반응시킨 후 세포 칩의 세포를 염색해 약물 반응의 결과를 관찰하고 분석할 수 있다. 특정 약물 입자는 고유의 코드를 가지고 있으므로 반응이 일어난 세포가 어떤 약물과 반응했는지 쉽게 확인할 수 있다. 본 연구에서는 이러한 전 분석과정을 자동화할 수 있는 프로그램을 개발하여 어세이 과정 뿐 아니라 결과의 분석에 소모되는 시간 역시 감소시켰다.
본 논문에서는 실제로 다섯 종류의 항암제 및 항암제 조합들에 대해 골육종 세포의 반응을 확인하였으며 분석 자동화 프로그램을 이용한 대용량 분석을 수행하였다. 본 논문에 소개된 기술을 사용하면 매우 적은 양의 시료와 약물로 대용량의 바이오 어세이를 빠르게 수행할 수 있다.
5. 연구 성과 및 향후 계획
본 연구 결과는 미세유체학, 광학, MEMS, 생명공학 등 매우 다양한 분야의 기술을 융합하고 창의적인 개념을 도입한 융합 과학의 결과이다. 그러므로 여러 학제 및 산업 분야에서 새로운 연구 주제들을 창발시킬 수 있을 것이라 기대된다.
본 연구팀이 이번에 개발한 바이오칩은 매우 많은 종류의 약물 후보 물질들 및 물질의 조합을 초고속 저비용으로 분석할 수 있게 하므로, 생명 공학 기술의 발전이 열게 될 개인 맞춤 의학 시대로 한발짝 다가가는데 활용될 수 있는 원천 기술로써 큰 의미를 가진다. 그러므로 21세기의 신성장동력으로 전망되는 바이오산업에 필수적인 플랫폼으로 한국 바이오산업의 성장을 촉진시키는데 기여할 수 있다.
고부가가치 산업인 제약 분야를 필두로, 현재의 바이오산업은 많은 자본과 시간이 필요로 하기 때문에 세계적인 규모를 가진 기업만이 그 시장에 참여할 수 있다. 그러나 본 연구팀이 이번에 개발한 Partipetting 기술을 활용하면 소규모의 실험실에서도 많은 종류의 바이오 어세이를 값싸고 손쉽게 수행할 수 있으므로, 바이오산업의 다양한 필요를 충족시킬 수 있을 뿐만 아니라 중소기업 및 연구소들의 바이오산업 진출에 대한 진입장벽을 크게 낮출 수 있을 것으로 전망된다.