Special  창조경제 실현을 위한 핵심소재 세라믹원천기술 개발 동향

감염성 질환의 신속진단을 위한 자성입자-항체 융합소재기술

장 정 호_ 한국세라믹기술원 기초소재융합본부 에코바이오융합팀 팀장

1. 서 론
자성나노기술을 이용한 바이오 질환 진단/검지 기술은 사용의 편리함과 진단 시간의 획기적 단축을 통한 고속처리(high-throughput)를 가능케 하여, 실시간으로 다량의 시료처리를 요구하는 바이오 분야에서는 획기적인 기술로 자리매김을 하고 있다.
그러나 자성소재 개발은 현재까지 철산화물계 구형 세라믹 나노입자에 국한 되어있어, 핵산(DNA), 단백질, 세균 등과 같이 다양한 종류의 바이오 진단 적용을 위해서는 자성나노입자 소재도 적용 형태별로 다양한 크기 및 형상 제어가 가능한 소재 개발이 시급한 실정이다. 특히, 진단/검지 효율의 증진을 위하여, 자성 나노입자의 표면에 보다 많은 기능성 작용기를 고정화 시키려는 연구가 많이 진행되고 있으나, 소재의 표면적 한계로 인해 효율 증진이 어려운 상황에 놓여있다.
이를 해결하기 위하여, 반응표면적이 매우 큰 나노다공성 세라믹 소재와 자성이 결합된 소재 개발이 필요하며, 대상 바이오 분자의 특성에 맞게 소재의 크기 및 형상 제어 기술이 가능한 소재기술 개발이 필요하다.
또한, 다양한 바이오시장(보건의료, 기능성 식품, 식품안전, 환경안전, 축수산업 등)에 적용하기 위해서는 높은 호환성을 가진 제품의 상용화가 필수적인데, 이를 충족하는 대표적인 바이오 컨텐츠로는 항체(antibody)가 있다. 항체는 첨단 유전공학기술로 제작이 용이하고, 안정성과 발현성이 매우 우수하며 대량생산이 가능한 바이오 컨텐츠로서, 바이오 산업에서 매우 중요한 시장지위를 가질것으로 예측되고 있는 생명공학의 기초소재라 할 수 있다.
국내외적으로 많은 연구를 통해 바이오소재로서의 항체가 이미 개발되었으나, 적용분야의 확장에 따른 융합화 기술력 부족으로 시장 경쟁력에 한계를 갖고 있는 실정이다. 선진국에서는 호환성이 매우 우수한 단일도메인항체(single domain antibody, 나노항체) 개발이 진행되고 있어, 향후 미래 첨단 바이오공학 소재로 대두될 것으로 예측 되고 있다. 따라서, 미래 고부가가치 시장 선점을 위해서는 기존 및 새로운 항체와 자성 나노입자와의 융합화를 통한 초고속/실시간 진단/검지용 첨단 소재개발만이 바이오 산업의 국가경쟁력 확보에 이바지 할 것으로 예측된다.
단일도메인항체 소재는 지난 수십 년 동안 개발/활용되어온 기존 항체소재와는 패러다임이 완전히 다른 첨단 바이오소재로서, 1993년 Nature지(Ha-mers Casterman et al.)에 처음 소개된 이후 주요 선진국을 중심으로 개발되어 온, 신개념의 재조합 항체(Nanobody, single domain antibody, sdAb, VHH 등으로 불림)로서, 두 개의 heavy chain 으로만 구성된 낙타 항체 혹은 상어 항체를 구성하는 부위 중 항원과 결합하는 부위만을 첨단유전공학기법을 활용하여 제작된 작은 분자량의 재조합 항체를 의미한다. 기존의 바이오센서로 활용되어 온 타 동물 유래 항체 및 재조합 항체와 비교하여 매우 우수한 특성을 다수 보유함으로써 식품산업(기능성 첨가제), 의료산업(진단, 치료 및 예방), 그리고 다기능성 바이오센서로 최근에 선진국을 중심으로 다수 개발 중에 있다.
구조적인 특성으로 말미암아 기존 항체가 가지는 다양한 한계를 완벽히 극복하는 항체공학에 있어서, 새로운 주요 연구분야로 자리매김함으로써 항체소재의 역사를 나노항체 이전과 이후로 나눌 만큼 기존 항체소재들을 대체하는 신개념의 첨단소재이다. 바이오 소재에 있어 반도체 역할을 하는 항체소재의 경우, 국내외적으로 기존 실험동물기반 항체는 지난 수십 년간 수만 종이 개발되어 활용되고 있으며, 향후 첨단 나노항체로 대체될 것으로 예상된다. 따라서 이들 기존 및 미래소재가 동시에 적용될 수 있는 고호환성을 확보하는 기술이 시장의 독점적 지위 확보에 관건이 될 것이다. 자성소재기술과 기존 및 첨단나노항체기술의 융합을 통한 신속/정확 진단 기술은 다양한 시장(보건의료, 식품, 환경, 농축수산업 등)에 능동적으로 대처할 수 있는 고호환성을 가진 제품 상용화와 연계되어 시장 선점이 가능함으로 정부 차원의 효율적인 시스템 마련이 필요한 실정이다. 본고에서는 다양한 감염성 질환, 특히 식중독 관련 질환의 다중 실시간 진단을 자성 나노소재 기술을 이용하여 신속 검출 및 진단 소요시간을 획기적으로 단축하기 위한 단일도메인항체 고정화 방법을 고찰하고자 한다.

그림 2. 원인물질 및 연도별 식중독 발생 현황(출처: 식품의약품안전처)