기술 혁신 Big Lab

화학 실험실을 손톱 크기로 줄이면 가정이나 전쟁터에서 바로 의료 테스트를 할 수 있다.

글 Charles Q. Choi

 화학 실험실의 비커, 스포이드, 화학 약품과 가열기를 열쇠고리에 달 수 있는 크기의 작은 마이크로칩으로 축소한다고 생각해 보라. 많은 수의 회사와 대학에서 이러한 놀라운 도구를 개발하고 있으며, 전쟁시 병사의 피에서 생물학적 무기를 검출하는 중요한 분석에서부터 비위생적인 햄버거용 고기에서 독소를 검사하는 데까지 사용할 수 있다. 하지만 이 중 대부분은 사실상 휴대가 불가능하다. 피 한 방울이나 고기 한 조각을 검사할 수 있는 센서는 한 손에 들어올 정도의 크기이지만, 유체화된 샘플을 칩의 작은 튜브로 옮길 수 있는 기기는 대부분 책상 하나 이상의 크기이다. 

이러한 한계를 두 연구팀이 마이크로유체공학 ? 마이크로 크기의 방울을 세밀하게 조종하는 기술 ? 로 넘어서려 하고 있다. 공기나 전기로 액체 분자를 옮기면서, 이 그룹은 샘플을 채취하고, 분석하고 결과를 내보내는 모든 기기를 USB 저장 장치의 크기로 축소하고 있다. 그리고 비록 현재는 칩을 손으로 만들지만, 결국은 대량으로 생산될 것이다. 이로서 결국은 칩 위의 실험실이 필요한 곳 ? 개발도상국, 전쟁터와 가정 ? 에서 HIV, 탄저균이나 대장균 등을 빠르게 검출할 수 있다. 칩은 당뇨병 환자에게 이식되어 포도당과 인슐린 수치를 체크할 수 있다.

공기로 민다

도구로서, 칩 위의 실험실은 기존에 사용되던 프로세서에 비해 짧은 시간 안에 작은 공간에서 저렴한 가격에 수백 가지 실험을 동시에 수행할 수 있기 때문에 연구자들 사이에서 매우 유명해졌다. 칩 내부의 작은 채널과 밸브로 작은 샘플과 시약을 가열, 냉각하고 혼합할 수 있으며, 전기 자극과 같은 더욱 복잡한 실험도 할 수 있다. 하지만, 유체의 특수한 성질 때문에, 가열, 냉각, 혼합을 하기 위한 기기는 커지게 마련이다. 매우 좁은 관에 들어가면, 물과 같은 화합물도 마치 시럽처럼 행동한다: 이리저리 이동시키기 어려워진다. 그리고 아이러니컬하게도, 흐를 때는 불규칙한 흐름이 거의 없기 때문에 화학 반응을 위해 시약과 섞기가 힘들어진다. 압축 공기로 액체가 칩을 통과하도록 하려면 큰 기기가 필요하다. 액체를 전기적으로 움직이게 하려면 고전압 전원공급장치가 필요하다.

칩 위의 실험실에서 할 수 있는 실험은 점점 더 정교해졌다. 1998년 Ann Arbor의 미시건 대학교의 화학공학자인 Mark Burns와 유전학자인 David Burke는 특정 유전자나 그 변형을 쉽게 알아볼 수 있는 최초의 칩을 개발했다. 그로부터, 연구자들은 주변 기기를 점차 축소 통합해 왔다. "목표는 가정집을 포함하여 누구나 원하면 유전자 분석 기기를 가질 수 있게 하는 겁니다"라고 Burns는 이야기한다. 예를 들어, 새벽 2시에 갑자기 아파하는 아이를 응급실에 데려가 실험실에서 나오는 결과를 기다리지 않고도 부모가 쉽게 독감 여부를 알아볼 수 있다.

방울 속의 유전자를 분석하는 것은 우선 증폭에서 시작된다: 열과 특수한 효소로 유전 물질을 수백만개로 복재해낸다. 이 복제품은 소화효소와 섞여 특정 DNA 사슬을 잘라낸다. 형광 염색 분자는 DNA 조각에 달라붙는다. 그 후 전기장을 이용해 전기 이동으로 알려진 과정을 통해 DNA 조각을 젤로 통과시킨다. 이 DNA 조각이 움직이는 속도는 크기와 전하에 의존하는데, 이를 빛으로 관찰하면 위험한 세균인지 여부 등 DNA의 성질을 알 수 있다.

Burns의 연구는 사실 1993년에 시작했는데, 1998년 그의 그룹은 공기를 이용하여 채널의 방울을 움직이게 하는 방법을 개발했는데, "빨대를 불어 안의 물방울을 움직이는 것과 같다"고 Burns는 설명한다. 이후의 설계로 온도 센서, 증폭, 전기 이동과 형광 검출을 약 1센티미터 폭과 3센티미터 길이 ? 대략  반개 크기 ? 의 웨이퍼에 올려놓을 수 있었다.

하지만 이를 작동시키는 기기는 여전히 웨이퍼 주변에 남아 있다. Burns와 Burke는 이를 소형화하는 데 7년을 보냈다. 그러면서 그 둘은 기존의 DNA 증폭 방법 (strand displacement amplification, 혹은 SDA) 대신 중합효소 연쇄반응 (polymerase chain reaction, PCR)을 사용했다. PCR은 2종류가 아닌 한가지의 효소만을 사용하기 때문에 화학 작용이 매우 단순해진다. 하지만 PCR은 또한 극히 복잡한 온도 변화가 필요하다. SDA에서는, 칩에서 샘플을 섭씨 50도까지 가열하여 온도를 유지하면 된다. PCR은 가열과 냉각 사이클이 필요한데, 섭씨 90도에서 50도까지 냉각한 후 다시 70도까지 가열하는 것을 35번 반복해야 한다. 연구자들은 100가지 서로 다른 온도에 대해 시험해야 했고, 이는 Burns와 Burke가 사용한 것과 같은 정도의 크기에서는 아무도 하지 못한 일이었다.