안동준 교수 Nature Communications 게재: 세포막-트랜지스터 센서로 세계 최고 민감도 구현
고려대학교 공과대학 화공생명공학과 및 KU-KIST융합대학원 안동준 교수, KIST 국가기반기술연구본부 센서시스템연구센터 유용상 박사(KU-KIST융합대학원 학연교수)와 김철기 박사 연구팀은 전기신호를 이용하여 생체물질을 검지하는 바이오트랜지스터 시스템에 세포막을 적용하여 세계최고 민감도의 바이오센서 원천 기술을 개발했다. 이번 연구 결과는 2021년 6월 18일 세계적인 학술지인 Nature Communications (IF=12.121)에 온라인 게재되었다.
- 저자정보: 안동준(교신저자, 고려대), 유용상(교신저자, KIST, KU-KIST융합대학원), 김철기(교신저자, KIST), 정우혁(공동1저자, 고려대), 이동근(공동1저자, KIST) - 논문명: Ionic contrast across a lipid membrane for Debye length extension: Towards an ultimate bioelectronic transducer
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전계효과를 이용한 분자검출 기술은 반도체의 역사와 함께 발전하면서, 가장 공용적으로 받아들여지는 분자검출 기술이다. 해당 검출 기술을 사용하여 다양한 분자를 검지하는 연구 성과를 얻었음에도 불구하고, 실용화 단계까지 접근하는데 극복하지 못한 한계점이 존재한다. 그 점은 이온 농도가 높은 용액 내에 존재하는 분자를 검출하지 못한다는 것이다. 체내에서 피 한 방울을 빼서 분자를 검출하는 경우, 검지 가능 영역은 1 nm수준으로 얇아지며 검출하고자 하는 분자보다 얇은 두께를 가지게 된다. 세계 학계는 그간 검지 가능 영역 내부로 효과적인 검출을 하기 위해 화학공학, 전기공학, 재료공학 등 분야에서 다양한 전략을 통하여 고민감도 분자 검지를 시도해왔다. 하지만 여전히 한계점을 극복하지 못하고 있는 상황이다. 본 연구팀은 검지 가능 영역의 한계를 극복하고자, 세포를 둘러쌓고 있는 세포막에 주목하였다. 세포막은 세포 외부에 있는 고농도의 이온이 내부로 침투하는 것을 억제하는 역할을 한다. 이 특성을 전계효과 기반의 검지 기술에 적용하여 세계 최소 수준의 초민감도 분자검출 방법 개발에 성공하였다.
기존의 사용되는 장효과 트랜지스터(Field-Effect Transistor)의 표면에 세포막을 도포하였다. 세포막 도포 시에 증류수를 사용하여 세포막의 하단부는 이온이 없는 용액을 위치하였고 도포 이후 고이온농도의 용액으로 치환하여 세포막 상부와 하부의 이온 농도가 다른 환경을 구축하였다. 그 후 아비딘과 특이적 반응을 하는 바이오틴 수용체가 내포된 세포막 위에 실시간으로 아비딘 단백질을 노출시킨 결과 전계효과의 변화를 검지하여 분자 특이적 반응을 관찰할 수 있었다. 
이는 현재 보고되고 있는 전계기반 바이오칩 디바이스들을 총망라하여 가장 높은 민감도(100 pM)의 성능을 보여주었다. 더 나아가 분자동역학 시뮬레이션을 이용해 검지 전후 세포막의 거동을 면밀하게 분석하였으며 실험값으로 측정된 전기신호의 기원과 메카니즘을 성공적으로 규명하였다.
본 연구는 과학기술정보통신부 원천기술개발사업(미래소재디스커버리사업) 및 KIST 기관고유사업의 지원으로 이루어졌다.
용어설명 *전계효과(장효과) 트랜지스터: 게이트 전극에 전압을 걸어 채널의 전기장에 의하여 전자 또는 양공이 흐르는 게이트가 생기게 하는 원리로 소스와 드레인의 전류를 제어하는 트랜지스터이다. *아비딘, 바이오틴: 아비딘은 당단백질의 한 종류로 달걀흰자에서 발견되고 새의 조직과 다른 생물에서도 발견되는 단백질이다. 바이오틴은 비타민H라는 별칭을 가진 비타민의 일종이다. 아비딘과 바이오틴은 자연계에서 가장 강한 결합을 하는 것으로 알려져 있다. *분자동역학 시뮬레이션: 물리계의 원자들 사이의 퍼텐셜 혹은 힘이 주어졌을 때 이를 이용해서 뉴턴의 운동 방정식을 수치적으로 풀어냄으로써 원자들의 동역학을 계산하는 방식이다.
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