MEMS 기술을 이용한 DNA Lab-on-a-Chip System 개발

조 윤경, 김영아, 박유근, 임근배

경기도 용인시 기흥읍 농서리 산 14-1, 449-712, 삼성종합기술원 MEMS Lab.

Development of DNA Lab-on-a-chip system using MEMS technology

Yoon-Kyoung Cho, Young A Kim, Yukeun Eugene Pak, Geunbae Lim

Samsung Advanced Institute of Technology, MEMS Lab.

P.O. Box 111, Suwon 440-600, Republic of Korea

서론

DNA chip을 이용한 생명 공학의 급속한 발전은 인간의 의학 및 생활 전반에 대단한 혁명을 가져올 것으로 예견되고 있다. DNA chip을 사용하면 방대한 양의 유전 정보를 빠른 시간 내에 분석 할 수 있을 뿐만 아니라, 유전자간의 상호 연관성까지 규명할 수 있게되어, 앞으로 유전병 및 암의 진단, 돌연변이의 탐색, 병원균의 검출, 유전자 발현 분석, 신약 개발 등 폭넓은 응용분야가 예상된다. 또한 미생물이나 환경오염의 감지기로 이용, 해독 물질에 대한 유전자를 찾아내어 유전자 재조합 기술을 적용함으로써 해독물질을 대량 생산하거나 의약용 농작물, 저지방함유 육류의 생산에도 응용될 수 있는 등 거의 대부분의 생물관련 산업에 혁명적인 발전을 가져올 수 있다.

기존에 사용되고 있는 microarray type의 DNA chip은 DNA의 결합 반응은 작은 칩 위에서 일어나지만, 유전자 분석을 위해서는 샘플을 추출, 증폭하는 장치 및 DNA의 결합 정도를 분석하기 위한 고가의 레이저 스캐너 등의 해석장치를 필요로 한다. 이에 반해, MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 기술을 이용하여 시료 희석, 혼합, 반응, 분리, 정량 등 모든 단계를 하나의 칩 위에서 모두 수행하도록 만든 것이 Lab-on-a-chip이다. MEMS는 반도체 제조에 이용되는 lithography 등의 미세 가공 기술을 이용하여 전기와 기계부품을 초소형으로 일체화하여 만드는 기술이다. 이렇듯 여러 가지 복잡한 단계를 거치지 않고 시료 주입만으로 최종결과를 얻어낼 수 있는 chip을 개발한다면 사용의 간편성 뿐만 아니라, 검사자의 실험상 오류를 최대한 제거하여 얻어진 결과에 대해 신뢰성을 부여함으로써 DNA chip 사용의 보편화에 중대한 역할을 할 것이다. (1-3)

이렇게 소형화되고 시스템화된 chip을 개발하기 위해서는 microfluidics, micromachining, surface chemistry, biology 등의 다양한 분야의 시너지 효과를 요구한다. 또한, Lab-on-a-chip의 하드웨어는 DNA 뿐만 아니라, RNA, Protein, 또는 metabolites 등의 연구에도 응용될 수 있는 중요한 platform을 제공하여 앞으로 post-genome 시대의 생명공학 발전에 커다란 기여를 할 것으로 기대된다.본 논문에서는 차세대 DNA 분석 시스템이라고 할 수 있는, DNA Lab-on-a-chip system의 개발 현황과 문제점, 향후 전망 등에 관하여 살펴보고자 한다.

본론

DNA Chip Array

Microarray type의 DNA chip은 실리콘이나 유리 등의 고체 표면 위에 염기 서열을 알고 있는 DNA 분자(Probe)를 고밀도로 고정시킨 것으로, 분석하고자 하는 유전자(Target sample)를 특정 DNA 염기 배열 정보를 가지고 있는 DNA 칩과 반응시켰을 때, 서로 간에 염기 서열의 짝이 맞으면 결합(Hybridization)하게 되고, DNA chip 상의 어떤 위치에 염기 결합이 이루어지는 지를 확인하면 샘플 유전자의 염기서열을 알 수 있다는 것이 그 기본 원리이다.

DNA chip은 사용된 Probe의 종류에 따라 Oligo chip과 cDNA chip으로 구분하기도 하고, 제작된 방법에 따라 Photolithography chip과 pin spotting chip, inkjet spotting chip, electronic addressing DNA chip 등으로 분류하기도 한다.

DNA 칩 제조 회사로는 미국의 Affymetrix, Incyte, Nanogen, CMS 등이 있으며, 최근에는 모토롤라, HP, Hitachi 등 기존의 전자 기업들의 바이오 산업, 특히 DNA 칩 사업으로의 진출이 주목할 만하다

DNA chip 분야의 선두주자라고 할 수 있는 Affymetrix는 컴퓨터 칩을 만들 때 쓰이는 photolithography 기술을 사용하여 수만개의 다른 염기들을 하나의 유리 위에서 직접 합성하여 chip을 제작한다.  Affymetrix는 이 기술을 사용하여 1.28 cm2 안에 400,000개의 다른 종류의  oligonucleotide를 가진 칩을 수 있으며, 유전자 발현 검색용 칩뿐만 아니라 암 관련 유전자인 p53와 BRCA1을 가진 칩, 에이즈의 원인인 HIV의 종류도 알 수 있는 칩 등을 생산하고 있다.

Affymetrix의 DNA Chip 제조 기술은 모두 특허화 되어 있어, 다른 많은 회사들은 보다 새롭고 나은 방법으로 칩을 제조하는 방법을 개발하고 있다. 그 한 예로, Nanogen이라는 회사는 DNA가 (-) 전하를 띠는 성질을 이용하여 칩의 표면에 있는 특정 위치에 (+) 전기를 넣어서 그 위치에 원하는 유전자를 붙게 만드는 방법을 이용하여 DNA 칩을 개발하였다. 이 기술의 가장 큰 장점은 전기를 이용하여 샘플 DNA를 원하는 특정 위치에 끌어당김으로써 결합 시간을 단축할 수 있다는 것이다.

Chip의 검출 감도를 높히기 위해서는 가능한 probe의 surface density를 높히는 것이 중요하다. 이를 위하여 여러 가지 다양한 시도가 있는데, 3차원의 hydrogel pad를 이용하는 방법, dendrimer를 이용하여 probe와 형광물질의 밀도를 증가시키는 방법, 일정한 모양의 pore로 구성된 glass substrate를 사용하여 기공 표면에 probe를 고정시키는 방법 등의 많은 새로운 시도가 있다.

기존의 DNA chip은 대부분 샘플 DNA에 형광색소를 붙이고, 칩 위의 probe와 반응시킨 후 confocal microscope나 CCD camera를 사용하여 형광물질을 광학적으로 검출한다. 그러나, 이러한 광학적인 검출법은 소형화가 어렵고, 디지털화된 출력을 볼 수 없기 때문에, 전기적인 신호로 결과를 낼 수 있는 새로운 검출법의 개발에 관하여 많은 연구가 진행 중이다. Clinical Micro Sensors는 산화/환원이 쉬운 금속 화합물을 이용하여 전기화학적인 검출법을 개발하였다. 이외에도, 형광색소나 다른 어떤 표식자를 사용하지 않고 분석하는 방법에 관하여도 연구가 활발히 진행 중인데, microfabricated된 cantilever를 이용하여 probe와 샘플간의 분자간 결합력을 측정하는 방법, 또는 piezoelectric cantilever를 이용하여 결합 전후의 질량 차이를 측정하는 방법, 그리고 Matrix Assisted Laser Ionization (MALDI) spectroscopy를 이용하여 분석하는 방법 등이 개발 되었다.

Microfluidics

Lab-on-a-chip의 핵심기술이라고 볼 수 있는 microfluidics 분야는 chip의 microchannels을 통하여 분석하고자 하는 물질을 이동하고, 반응시키고, 분리하는 등 여러 가지 분석 기능을 가능하게 하는 device의 제작과 이러한 미세한 scale에서 나타나는 여러 가지 현상 규명에 관한 연구를 포함한다. MEMS 기술을 이용한 Microreactor를 제작하면, 각 microreactor의 온도나 농도 등의 반응 조건을 개별적으로 조절하면서 다양한 화학 반응을 하나의 chip 상에서 수행함으로써, 기존의 DNA microarray 보다 훨씬 다양한 분야의 응용이 가능할 것이다. 뿐만아니라, microscale이 가져오는 장점을 살리면, 대량생산을 통하여 가격을 낮출 수 있을뿐만아니라, 성능을 획기적으로 향상시킬 수도 있다. 먼 미래에 가능한 이야기처럼 들릴 지 모르지만, 이미 그 요소 기술에 관하여는 최근에 많은 보고가 있는데, 여기서는 genomics 응용분야의 PCR (Polymerase Chain Reaction)과 electrophoresis를 Chip상에서 실현한 예에 대하여 살펴 보자.

○ MicroPCR Chips

PCR이란 생명공학 역사상 가장 혁명적인 기술의 하나로서 primer와 열에 안정한 중합효소(polymerase)를 사용하고, 샘플의 온도를 올렸다 내렸다하는 과정을 반복함으로써 DNA 가닥의 원하는 부분의 수를 증폭하는 기술이다. PCR과 같은 반응을 chip을 이용하여 하면, nanoliter volume의 시료만 필요하므로, 값비싼 효소를 훨씬 적게 사용할 수 있어 시약 값을 절약할 수 있고, microchannel에서 열전도도가 좋다는 장점으로 인하여, 온도를 빨리 변화시킬 수 있으므로 반응 시간을 단축시킬 수 있을 뿐만 아니라, 추후 Electrophoresis를 이용한 분석 시 thermal diffusion이 빨라서 Joule heating의 영향을 상대적으로 적게 받아 더 높은 전압을 걸 수 있고, 따라서 더욱 빠른 시간 내에 electrophoresis 분석을 할 수 있다. 뿐만 아니라, microchannel 내의 유속 패턴은 주로 laminar flow이기 때문에 turbulence에 의한 band broadening이 줄어들어 분석 감도가 좋아진다는 등 scale-down 에 기인한 많은 장점이 있다.

다양한 종류의 MicroPCR 시스템에 관한 연구 보고가 있으나, 아직 microfluidics를 이용하고 분석까지 모두 시스템화된 chip은 보고되지 않고 있다. Northrup 등은 micromachined reaction chamber와 microheater를 사용하여 + 30℃/s 와 - 4℃/s의 속도로 온도 변화 주기를 40회 반복하여 DNA 증폭을 10-15분 안에 할 수 있는 microfabricated chip과, 이 chip의 DNA 증폭 정도를 실시간으로 볼 수 있는 광학 분석 장치를 포함하는 가방 크기의 DNA 분석 시스템을 제작하였다. Kopp 등은 Continuous flow PCR을 제작하였는데, 샘플이 관을 통하여 각기 다른 3개의 온도 구역을 흐르면서 melting, extension, annealing 과정을 반복하면서 증폭되도록 만들었고 반응시간을 5배 이상 줄일 수 있었다.

○ Electrophoresis chips

전기영동법은 현재까지 DNA 분석법의 기반이 되어왔다. 위에서 언급한 바와 같이 channel size가 작아짐에 따른 여러 가지의 장점 때문에, 기존의 slab gel technology에서 capillary gel electrophoresis, 그리고, microfabricated chip을 이용한 electrophoresis 방향으로 발전되어 왔다.

Electrophoresis chip은 Glass나 silicon에 기본적인 lithography와 etching 등의 microfabrication 방법으로 제작된 microchannel을 이용하고, 전기장을 걸어서 electroosmotic pumping 또는 electrophoretic separation 등을 이용하여 샘플을 이동 또는 분리하는데 사용하였다. Mathies 등은 96 multichannel을 가지는 chip을 이용하여 high throughput DNA 분석을 하는 chip을 제작하였고, PCR과 electrophoresis를 하나의 chip 상에서 이루어지도록 integration한 칩도 개발하였다.

또한, Electrophoresis chip에 사용된 microchannel은 샘플을 이동시키거나, 반응, 분리, 희석 하는 데도 많이 적용되었다. 그러나, ionic strength가 큰 샘플은 사용할 수 없다거나, microfabricated channel 물질과 샘플간의 interaction을 고려해야 하는 등의 여러 가지 제약이 있으므로, MEMS 기술을 이용한 valve나 pump 등의 개발도 중요하다. 유리나 실리콘으로 만들어진 electrophoresis chip 뿐만 아니라, 고분자 물질을 사용하여 injection molding이나 hot imbossing 등의 방법으로도 제작되었다. 이러한 electrophoresis에 바탕을 둔 microfluidics chip은 Caliper technology corporation와 Agilent Technology 또는 Aclara 등이 이미 상용화하여 판매하고 있다.

진정한 의미의 Lab-on-a-chip을 위해서는 피 한 방울과 같이 실제 분석에 사용될 샘플에서 DNA 또는 RNA 또는 protein과 같이 원하는 샘플을 추출하고 증폭하고, 희석하는 등의 모든 전처리 과정이 microfabricated chip 위에서 이루어져야 한다. PCR amplification과 electrophoresis를 하나의 chip상에서 이루어지도록 integration한 chip이나 MEMS 구조물을 이용하여 microfiltration 또는 농축기 등을 가지는 chip 도 좋은 예이다.

결론 및 향후 전망

이상에서 최근 각광 받고 있는 DNA chip과 차세대형 DNA chip이라고 할 수 있는 Microfluidics를 겸비한 DNA Lab-on-a-chip의 연구 현황에 대하여 알아보았다. 이 분야는 아직 태동기라고 할 수 있으며, 최근 국내에서도 KAIST, 포항공대, 한양대, 부산대 등의 학계와 여러 생명공학관련 벤처기업들을 중심으로 DNA Chip 개발에 대한 관심이 높아지고 있다. 이는 앞으로, 이 분야가 21세기 생물 산업 전반에 끼칠 커다란 파급효과를 생각할 때, 아주 고무적인 일이라고 볼 수 있다. 이러한 Lab-on-a-chip이 실제로 genomics나 medical diagnosis, 또는 미생물을 이용한 화합물 합성 등 생물화공 전반에 이용되기 위해서는 아직 그 요소기술의 개발과 시스템 차원의 integration에 관한 연구가 필요하다. 이에 삼성 종합 기술원 MEMS Lab에서는 차세대형 DNA Lab-on-a-chip 개발을 위하여 MEMS 기술을 이용하여 DNA 추출 및 증폭, 분석을 할 수 있는 chip과 microfabricated biosensor 개발에 관한 연구를 수행하고 있다. 앞으로 Micro 구조물을 제작하기 위한 micromachining 기술, biocompatible하면서도 성능이 우수한 칩을 만들기 위한 surface chemistry, microscale에서의 유동 현상을 이해하기 위한 microfluidics 등 많은 분야의 유기적인 협력을 통한 연구 성과가 기대된다.

참고문헌

1. Figeys, D., Pinto D. (2000) Lab-on-a-chip : A Revolution in Biological and Medical Sciences.  Analytical Chemistry 72: 330A-335A.

2. Manz A., Sanders G. H. W. (2000) Chip-based microsystems for genomic and proteomic analysis Trends in Analytical Chemistry 19: 364-378.

3. Abramowitz S. (1999) DNA Analysis in Microfabricated Formats J. of Biomedical Microdevices 1: 107-112.