4차 산업혁명이 경제, 사회, 과학 전반에 영향을 미치고 있는 현재, 많은 사람들이 생명 기술이 다가오는 미래에 새로운 산업의 한 축을 담당할 것이라고 예상하고 있다. 그 중에서 융합기술을 기반으로 한 융합바이오기술은 기존 생명 기술에 활력을 불어 넣고, 기술발전을 가속화할 첨병으로 기대하고 있다.
경희대학교 의과대학 황교선 교수팀은 나노바이오센서를 개발하여, 혈액 내 극미량 (피코그램 (pg/mL)) 수준으로 존재하는 바이오마커 (질병표지 단백질)를 빠르고 정확하게 검출하는 결과를 얻어내고 있다. 현재 개발된 나노바이오센서를 이용하여 알츠하이머병, 파킨슨병 등과 같은 퇴행성 신경질환을 조기에 피검사로 스크리닝하는 임상연구를 진행하고 있으며, 개발된 바이오센서는 국내 스타트업 기업에 기술이전되어 상용화를 준비 중에 있다. 이러한 나노바이오센서 기술은 ‘플랫폼’ 성격의 기술이어서 최소한의 기초 연구만 수행하면 다양한 감염병 조기 스크리닝에 활용될 수 있는 장점을 가지고 있다. 만약에, 새로운 바이러스로 인하여 사람간의 감염이 진행되고 있다면 확진을 위한 rt-PCR 검사전에 쉽고 빠르게 바이러스 감염 여부를 판별할 수 있는 가능성이 있을 뿐만 아니라 새로운 바이러스의 등장에 선제적으로 대응 할 수 있는 유용한 기술 중 하나라고 할 수 있다. 물론, 현장에 적용 되려면 여러가지 과학적 입증을 거쳐야 하지만 처음부터 개발하는 것이 아닌 개발된 바이오센서 플랫폼의 응용처를 확대하는 것이므로 신종 바이러스로 인한 위협이 증가되는 시점에 효과적으로 적용여부를 판단하여 활용할 수 있는 장점이 있다.
2019년 말에 중국에서 발생한 신종 코로나바이러스 (2019-nCoV)로 우리나라를 비롯한 전세계가 긴장하고 있다. 2차,3차 이상 감염을 넘어서 대확산의 기로에 서 있는 지금, 새로운 바이러스 감염여부를 조기에 빠르게 판단할 수 있는 기술에 대한 요구가 증가하고 있다.
현재 real-time polymerase chain reaction (rt-PCR)이 코로나 바이러스의 유전자를 대상자의 체액에서 검색하는 방법이 확진용으로 활용되고 있으나, 현장 활용을 위해서는 분석 시간과 민감도에 있어서 제한점이 있다. 새로운 바이러스가 등장했을 때 이 바이러스에 감염 여부 및 잠복기 상태 여부를 1시간 이내에 혈액 검사와 같은 체액 분석으로 알아 낼 수 있다면, 지금보다 더욱 적극적으로 보건당국이 대응할 수 있을 뿐만 아니라 국민들의 막연한 두려움도 줄어 들 것이라고 예상할 수 있다.
신종 바이러스의 등장에 빠르게 대응할 수 있는 첫 단추는 감염여부를 조기에 알아내는 것인데, 융합바이오기술의 하나인 나노바이오센서기술이 이를 현실화 할 수 있다. 바이러스에 감염되면 사람의 세포 내에 바이러스 침투하게 되고 증식여부를 바이러스가 결정하고 복제을 하게 되는 경우 수일 내에 증상이 나타난다. 바이러스가 인체 내 세포에 들어갔지만 복제을 하지 않고 숨어서 웅크리고 있는 기간을 잠복기라고 하는데, 이 잠복기에 증상은 나타나지 않지만 바이러스는 엄연히 인체 내에 존재하고 있다. 바이러스 감염 의심자의 혈액을 채취하여 세포 내 바이러스를 존재 여부를 확인할 때, 복제 전이라서 바이러스의 양이 매우 적다고 하더라도 나노바이오센서를 활용하면 바이러스의 존재 여부를 확인할 수 있다. 나노바이오센서의 큰 장점은 우수한 민감도라고 할 수 있는데, 기존의 기술로는 검출할 수 없는 매우 적은 양의 생체물질을 검출 할 수 있는 것이라고 생각하면 된다. 집에서 사용하고 있는 체중계에 종이 한 장을 올려놓으면 체중계의 바늘은 ‘0’에서 움직이지 않지만 종이 한 장은 작지만 무게를 가지고 있는데, 체중계는 이 작은 무게를 알아 낼 수 없는 민감도를 가지고 있기 때문에 체중계의 바늘이 계속 ‘0’을 가리키고 있는 것이다. 동일한 종이를 1g 까지 측정이 가능한 고감도 저울을 사용하게 되면 종이의 무게가 약 10g 이라고 저울의 바늘이 움직이게 되는 것과 같은 이치라고 할 수 있다. 여기서 고감도 저울의 역할을 하는 것이 바로 나노바이오센서이다.
과학기술이 비약적으로 발전하고 있음에도 불구하고 신종 바이러스 등장에 전 세계가 우왕좌왕하고 있는 지금, 혹시 모를 미래의 위협에 빠르게 대처할 수 있는 융합바이오기술을 지속적으로 눈여겨 볼 필요가 있다.
여러 형태로 개발되는 나노-바이오센서 중 나노구조체의 특이적인 발색 성질을 활용한 발색형 바이오센서 기술은 기기를 사용하지 않고 육안으로 진단 결과의 확인이 가능하다는 면에서 가장 사용자 친화적이며 또한 간편한 현장 진단이 가능하기 때문에 최근 각광받고 있다. 이와 관련하여 질병 진단의 마커가 되는 DNA, 단백질, 세포 및 포도당과 같은 소분자 물질을 다양한 나노구조체가 도입된 발색형 바이오센서로 진단하는 기술 및 연구가 소개되었다[3]. 1996년 Chad Mirkin 그룹에 의해 Nature지에 보고된 금 나노입자를 비롯하여 폴리다이아세틸렌(polydiacetylene, PDA)과 같은 공액고분자(conjugated polymer), 그리고 발색반응을 일으키는 과산화효소 혹은 산화효소 활성을 지닌 나노구조체(나노자임)들이 보고되고 있다[4-7]. 이 글에서는 나노구조체에 기반한 발색형 바이오센서 기술에 대해 소개하고, 이들 기술을 기반으로 한 스마트 바이오센서 연구 동향에 대해 살펴보고자 한다.
최근 인간수명 100세 시대가 도래하면서, 인간의 질병진단과 개인건강관리에 대한 관심이 증대함에 따라, 건강한 먹거리와 함께 스마트 헬스케어를 위한 다양한 제품이 개발되어 시장에 출시되고 있다. 특히, 나노바이오센서를 이용한 개인건강 모니터링을 비롯한 질병진단 및 사후 관리 제품들은 나노기술과 바이오기술을 접목한 첨단융복합기술로서 기존의 바이오센서의 성능을 향상시키고, 종래에는 불가능한 수준의 검출한계를 뛰어넘는 등, 괄목한 성장을 이뤄내고 있다. 본 보고서에서는 나노바이오센서의 소개와 기술연구동향을 알아보고, 이를 촉진하기 위한 세계 각국과 국내에서 추진하는 정책동향, 그리고 새로운 시장창출을 위한 산업계의 동향을 살펴봄으로써, 향후 국내 나노바이오센서 분야의 발전을 도모하기 위하여 필요한 전략이 무엇인지 도출하고자 한다.
[목 차]
1. 기술의 개요
1.1 나노바이오센서의 특징
1.2 나노바이오센서의 활용 분야
2. 나노바이오 관련 정책 동향
2.1 해외 정책 동향
2.2 국내 정책 동향
3. 나노바이오센서 연구개발 동향
3.1 해외 기술개발 동향
3.2 국내 기술개발 동향
3.3 국·내외 특허 현황
4. 나노바이오센서 시장 동향
4.1 산업화 현황
4.2 나노바이오센서 시장 확대 전망
5. 나노바이오센서 발전 전망
5.1 세계시장 발전 전망
5.2 국내기술과 시장 전략
1. 기술의 개요
1.1. 기술의 특징
□ 나노바이오센서의 정의
o 바이오센서는 특정 분자(Analyte)의 감지를 위하여 효소, 항체, 항원, 수용체, DNA 등 여러 종류의 생물분자(Bio Receptor)를 이용하여 분자 수준에서 물질을 검출하고, 물리화학적 신호변환기(Signal Transducer)를 통하여 상호작용을 인식하는 장치임
o 바이오센서는 특정 분자(Analyte)의 감지를 위하여 효소, 항체, 항원, 수용체, DNA 등 여러 종류의 생물분자(Bio Receptor)를 이용하여 분자 수준에서 물질을 검출하고, 물리화학적 신호변환기(Signal Transducer)를 통하여 상호작용을 인식하는 장치임
o 나노바이오센서란 나노입자, 나노패턴, 나노와이어, 나노갭, 나노채널과 같은 나노기술을 이용하여 바이오센서의 성능을 개선하거나, 분자수준에서 물질을 검출하는 센서임
그림 1. 나노바이오센서의 구성 및 작동 원리 (바이오센서 글로벌 시장 동향 분석, 한국기계연구원, 2011)
□ 나노바이오센서의 특징
o 분석 물질에 대해 신속하고 정확한 검출이 가능하여 의료 분야의 질병진단의 감지한계의 축소가 가능하며, 따라서 측정의 단순, 신속, 민감성이 중요함
o 선택성, 측정 범위, 재현성, 반응시간, 수명 등이 나노바이오센서의 성능을 판단하는 지표로 사용됨
□ 나노바이오센서의 활용 분야
o 나노바이오센서는 의료, 산업공정, 환경 모니터링, 군사 등 다양한 분야에서 활용되고 있음1
표 1. 나노바이오센서의 활용 분야 (바이오센서 글로벌 시장 동향 분석, 한국기계연구원, 2011)
□ 나노바이오센서의 종류
o (광학 기반) 가장 먼저 개발된 방식인 광학기반 나노바이오센서는 국부적인 굴절율의 변화나 표면플라즈마 공명(surface plasmon resonance, SPR)을 이용하여 반응과 검출이 이루어지는 플랫폼을 가지며, 미세유체를 이용한 비표지(label free) 방식의 측정이 대부분이고, 다중화 측정에 유리한 장점이 있음
o (나노전도체 기반) 나노전도체기반 나노바이오센서는 뛰어난 전기적 특성을 갖는 1차원 구조의 나노물질을 이용하여 반응과 검출이 이루어지는 플랫폼을 가지며, 나노와이어나 탄소나노튜브의 높은 전기전도도를 이용하여 바이오물질을 매우 민감하게 센싱하지만, 다중화 측정이 어려운 단점이 있음
o (나노구조체 기반) 나노구조체기반 나노바이오센서는 나노구조체의 기계적 특성을 이용하여 반응과 검출이 이루어지는 플랫폼을 가지며, 캔틸레버의 미세진동이나 나노공진자의 탄성파를 이용하여 바이오물질을 센싱하는 기술임
o (액상 기반) 용액기반 나노바이오센서는 기능화 나노입자를 이용하여 반응과 검출이 이루어지는 플랫폼을 가지며, 액상 SPR과 인코딩된 양자점과 같은 가장 최신의 나노바이오센싱 기술임
□ 차세대 나노바이오센서의 요구조건
o (민감도·특이도 향상) 현재까지 바이오센서의 개발은 표적 바이오물질을 검출하는 민감도(sensitivity)와 특이도(specificity)의 한계를 향상시키는 방향으로 진행되어 왔으며, 나노기술을 적용하여 민감도와 특이도가 기존의 방식보다 개선되어야 함
o (다중화 측정) 하나의 나노바이오센서에서 하나의 바이오물질을 검출하던 기존의 시장을 벗어나서, 병원균 검출, 서브타입 바이러스 검출 등 새로운 시장으로 확대되기 위해서는 동시에 다수의 바이오물질의 측정이 가능한 다중화(multiplexing) 측정이 가능하여야 함
o (단순·저가 측정) 나노바이오센서의 시장구매력이 확대되기 위해서는 측정 과정이 단순해야 하며, 낮은 단가로 이루어져야 하며, 최근의 연구동향이 비표지 방식의 바이오물질의 검출에 집중된 이유임
2. 나노바이오 관련 정책 동향
2.1 해외 정책 동향
□ 나노바이오기술 정책 동향
o 나노바이오기술이 본격적으로 연구 개발되기 시작한지는 약 10년 밖에 되지 않았지만, 세계 각국의 적극적인 지원 정책에 힘입어 빠른 속도로 발전하고 있음
o 미국, 유럽연합 등 주요 선진국들은 나노바이오기술을 학문적, 산업적, 전략적 중요성, 경제 위기 극복, 미래 성장동력 확보, 국민 건강 및 복지 증진, 향후 기술의 발전 가능성에 대한 잠재력 때문에 연구 활성화와 상업적 성과 창출을 위한 다양한 정책과 프로그램을 지원함
o 바이오칩, DNA칩, 혈액진단칩 등은 이미 큰 시장을 형성하고 있으며, 이러한 기술들을 기반으로 생체물질 분석을 통한 신약개발, 바이오센서, 나노바이오 인포매틱스, 나노바이오 헬스케어 기술 등이 활발하게 연구됨
o 나노바이오기술에 대한 국가별 정책을 살펴보면 나노기술과 바이오기술에 대한 정책을 각각 수립하며, 각 정책 안에 나노바이오기술을 하나의 융합기술 분야로 지원하는 방법을 추진 중임
o 이는 아직까지 나노바이오기술이 정책의 한 분야를 담당하기에는 규모가 작고, 나노기술과 바이오기술의 성격이 다양한 기술과 융합하는 특성에 따라 다학제적 연구가 활성화되고 있는 트렌드가 반영된 결과임
o (미국) 미국은 세계 1위의 나노, 바이오기술 경쟁력을 바탕으로 관련 산업을 전략적 육성분야로 선정하고 정부의 지속적인 관심과 투자를 강화하고 있으며, 나노바이오기술과 관련하여 최근에는 국민 삶의 질 향상과 연계하여 생명의학에 대한 연구가 꾸준히 증가하고 있으며, 맞춤형 의료시대를 구현하기 위한 신약 및 의료연구가 확대되고 있음
o (EU) EU는 2000년 초부터 나노기술과 바이오기술 분야를 프레임워크 프로그램(Framework Programme ; FP)의 전략적인 연구개발 부문으로 선정하여 지원하고 있음
o (영국) 세계 2위의 바이오 선도국가로서 바이오 분야에서 위상을 강화하기 위해 강력한 정책을 펼치고 있으며, 2010년 ‘바이오 전략계획 2010-2015 (The Age of Bioscience Strategic Plan 2010-2015)’를 수립하여 집중분야 및 세부 전략을 제시하고 있음
o (독일) 나노기술의 지원을 위해서 연방교육연구부(BMBF)는 ‘나노기술액션플랜 2015(2011년)’을 발표하여 기후, 에너지, 모빌리티, 의학, 안전 및 커뮤니케이션 같은 공동의 도전과제들에 집중하며, 현재 독일 전체 연구개발비의 14% 정도를 연구개발에 투입하고 있음
o (일본) 일본은 2011년도부터 5년간 실행하고 있는 제4기 과학기술기본정책은 ‘과제해결형’으로 진행하여 이에 그 응용분야를 크게 에너지·환경 관련 그린 이노베이션, 의료 관련 라이프 이노베이션으로 나누고, 나노·바이오 융합이 국민 건강으로 이어지는 “라이프 이노베이션”을 창출하기 위해서는 혁신적인 예방법의 개발, 새로운 조기진단법의 개발, 안전하고 유효성의 높은 치료의 실현, 고령자, 장애자, 환자의 삶의 질 향상 등이 포함됨
□ 시사점
o 미국과 유럽 등 주요 선진국은 2000년 초에는 연구인프라 확보, 원천기술개발 등 기술 경쟁력 강화를 위한 R&D 지원 정책을 펼쳤고 2010년대에 들어 연구성과의 산업화, 다학제 융합 연구 활성화, 안전성 강화, 고령화 사회 대비 등으로 중심점이 이동하는 중임
o 최근에는 지난 10년 간의 성과를 산업화로 연계하여 경제위기를 극복하고 일자리를 창출하여 국가경제를 활성화할 수 있는 공공-민간 네트워크 강화와 글로벌 산업 경쟁력과 지배력을 높일 수 있는 프로그램들이 선진국들의 주요 정책으로 부상함
o 나노바이오기술은 생명과학, 의약, 정보통신, 환경, 에너지, 반도체 등의 분야와 융합을 통해 신산업 창출, 녹색성장, 국가 경쟁력 향상뿐 아니라 인구 고령화 및 국민복지 향상 등에서 핵심적인 역할을 할 것으로 기대됨
o 미국, 유럽, 일본 등에서는 나노바이오융합기술과 ICT 기술을 연계하여 고령화 사회 대응을 위한 맞춤 의료, 원격 의료진단 시스템 구축 등 헬스케어에 대한 정책을 전략적으로 추진함
2.2 국내 정책 동향
□ 정부의 과학기술 관련 정책
o 대한민국 정부는 과학기술의 발전을 위하여 [과학기술기본계획], [나노기술 종합발전계획], [나노안전관리종합계획], [국가나노기술지도], [국가중점과학기술 전략로드맵], [생명공학육성기본계획], [국가융합기술발전기본계획(NBIC)], [산업 융합발전기본계획] 등을 수립하고 주기적으로 수정·보완함
그림 2. 연도별 국내 과학기술 정책 목록
o 나노바이오기술 관련 정책은 따로 추진되고 있지 않지만, 나노기술 종합발전계획 등 대부분의 국가정책 전략 로드맵에 반영되고 있음
□ 현 정부의 나노바이오기술 정책
o 하이 파이브(High Five)전략2
- 현 정부에서는 하이 파이브(High Five) 전략 중에서 질병진단 바이오칩을 건강장수시대 구현을 목표로 선정하였으며, 5개 전략분야 중에서 국책과제에 해당하는 “High 2. 국가전략기술 개발” 분야는 국가 차원의 개입이 필요한 5대 분야3, 120개 기술을 도출, 그 중에서 중점투자가 필요한 기술 30개를 중점기술로 선정
o “High 2”의 5대 분야 중 나노바이오 관련 중점과학기술
- (미래성장동력 확충) 서비스로봇(진단∙치료), 약물전달 최적화, 질병진단 바이오칩, 유전자 치료, 인체영상기기, 줄기세포 치료, 맞춤형 신약 개발
- (깨끗하고 편리한 환경 조성) 환경 통합 모니터링 및 관리, 오염물질 제어 및 처리(수질,대기 등)
- (건강장수시대 구현) 생명시스템 분석, 뇌∙신경계 기능 분석, 유전체 정보 이용 질환 원인 규명, 바이오마커 개발, 줄기세포(분화∙배양), 서비스 로봇(진단∙치료), 약물 전달 최적화, 바이오 인공장기 개발, 질병 진단 바이오칩, 유전자 치료, 생체적합재료 개발, 인체 영상기기, 줄기세포(치료), 맞춤형 신약 개발, 한의약 효능 및 기전 규명, 모바일 원격진료 기술, 건강관리서비스
- (걱정없는 안전사회 구축) 감염병 대응, 농축산자원 질병 예방∙대응∙치료, GMO 영향분석∙대응, 식품안전성 평가∙향상
□ 정부 R&D 투자 동향
o 국내총생산 대비 연구개발비 비중은 세계 2위권이여, 연구개발비 규모는 세계 6위권 수준이며, 정부 R&D 투자는 민간투자 유도, 경기침체 예방 및 미래성장 역량 확보 역할을 수행함
o 2014년도 세계 주요 국가별 R&D 동향 중 바이오기술을 차세대 중점 투자연구 분야로 선정하였음
o 향후 재난형 감염병 산업과 노령 증가로 실버산업과 웰니스산업 수요 증대에 다른 차세대 나노바이오 융합연구개발 R&D 역량 확보 노력이 필요함
o 향후 재난형 감염병 산업과 노령 증가로 실버산업과 웰니스산업 수요 증대에 다른 차세대 나노바이오 융합연구개발 R&D 역량 확보 노력이 필요하며, 나노바이오 관련 기업 니즈에 따른 장비구축 및 기반 시설 구축 전략 필요함
표 2. 국가별 R&D 투자동향 및 주요 특징 (2015년 정부연구개발투자 방향 및 기준, 미래창조과학부, 2014)
□ 정부 R&D 추진 전략
o (사업화 촉진) 정부 연구개발성과의 전략적 사업화 지원 강화하고, 연구개발 성과활용․확산 예산비중을 확대하고 있으며, 중소․중견기업의 기술활용을 위한 수요연계형 과제에 지속 투자하는 중임
o (산·학·연 협력·소통 강화) R&D성과의 조기 사업화를 위해 공공(연)인프라를 활용한 중소기업 지원사업에 우선 지원함
o (연구성과 관리·활용 기반 강화) 정부 R&D 정보접근성 강화와 우수 연구성과 정보 D/B 구축․활용․확산을 강화하고, 기술이전 전담조직(TLO)의 전문성 강화 및 기술사업화 인력양성 투자를 확대함
□ 시사점
o 우리나라는 세계 최고 수준의 ICT 기술과 인프라를 보유한 국가로서 나노메디컬 진단/치료 기술, 나노바이오 헬스케어, 맞춤형 의료서비스, 나노바이오 인포메틱스 등 의료진단과 헬스케어 서비스 분야에서 세계적인 경쟁력을 갖출 수 있는 큰 잠재력을 보유함
o 이에 따라 우리나라도 정부 차원에서 나노와 바이오 기술에 대한 투자확대, 투자 효율성 제고를 위한 구조개선, 나노바이오기술 육성을 위한 장기적인 정책이 필요한 시점임
o 이러한 기술들은 부가가치가 큰 의료산업, 실버산업 등 블루오션 산업의 경쟁력을 크게 올릴 수 있는 핵심 기술로 정부가 장기적인 관점에서 범 부처차원의 지원 정책을 통해서 적극적으로 육성해야 함
3. 나노바이오센서 연구개발 동향
3.1. 해외 기술개발 동향
□ 미국
o 나노바이오센서 소재 및 소자 분야 모두에서 활발하게 진행되고 있으며, 생물학적 수용체 소재의 경우에도 세계 최고의 경쟁력을 가지고 있음
o 생물학적 수용체 중 항체의 경우, 최근 나노바이오센서뿐만 아니라, 질병치료제로 개발하려는 연구가 활발히 진행되고 있음
o DNA칩, microarray 기술이 처음 개발된 곳도 미국이며, 최근 각광받고 있는 next generation sequencing (NGS) 기술을 포함하여 단백질 어레이 기술, 펩타이드 라이브러리 스크리닝 기술 등에서도 앞선 기술력을 보유함
표 3. 미국의 나노바이오센서 선도 기관 (소재기술백서 2012, 재료연구소, 2012)
□ EU
o EU는 나노바이오 기술에 대한 지원을 확대해 나가고 있으며, 전기적인 DNA칩 관련 EU 프로젝트도 가동 중이며, 기존의 단백질계 생물학적 수용체를 대신할 수 있는 펩타이드계 생물학적 수용체에 관한 연구비 지원이 곳곳에서 이루어지고 있음
o 나노바이오센서를 이용한 자동화기기가 가지고 있는 고효율 검색 (high throughput screening, HTS) 능력을 약물 발견(drug discovery)에 이용하여 빠른 시간 내에 많은 양의 샘플을 분석하고 유력한 후보물질을 찾는 시간과 노력을 줄이고 있음
o 세계적인 추세에 맞추어 EU에서도 질병 마커의 빠른 검출, 다중 센싱, 질병 조기진단 등이 가능한 나노바이오센서 플랫폼 기술에 대한 개발이 활발함
표 4. EU의 나노바이오센서 선도 기관 (소재기술백서 2012, 재료연구소, 2012)
□ 일본
o 일본은 나노바이오센서 개발에 필요한 소재와 소자 부문 모두 강점을 지니고 있으며, 기반 기술이 되는 생명공학, 반도체 공정 기술도 매우 발달되어 있기 때문에, 환경 모니터링, DNA칩, 단백질칩 등 나노바이오센서 관련 기술 전체가 우수함
o 일본에서 나노전자영역, 나노재료영역, 나노바이오생체재료영역 등을 포함하는 나노기술 및 재료 분야는 과학기술기본계획 상의 4대 중점 분야 중 하나이며, 이에 발맞추어 나노바이오센서 영역도 매우 빠르게 발전하고 있음
표 5. 일본의 나노바이오센서 선도 기관 (소재기술백서 2012, 재료연구소, 2012)
□ 기술개발 주요 이슈
o (생물학적 수용체) 나노바이오센서의 신호변환기 소재 기술은 이미 상당히 발전되어 있기 때문에, 나노바이오센서 분야의 발전을 가로막고 있는 큰 걸림돌은 신호변환기 소재가 아닌 생물학적 소재이며, 현재 개발된 생물학적 수용체는 표적물질 다양성이 낮고 소재의 안정도·선택성·결합력·생산비용 측면에서 개선 필요
o (나노바이오 융합기술) 나노바이오센서의 주요 제약 요인 중 하나는 나노바이오 분야의 융합적 성격임. 생물학 전공자는 소재에 대하여 잘 알지 못하며, 소재 전공자는 생물학에 대하여 잘 알지 못하므로, 이들 사이의 소통을 장려하는 정책과 더불어, 두 분야에 모두 정통한 다학제연구와 인재를 양성하는 노력이 필요
o (초고감도 검출) 고령화 사회 및 현장진단 (point-of-care) 시스템에 대한 인식이 증가하고, 웰빙 및 맞춤형의약품에 대한 관심이 높아지고 있기 때문에 원하는 표적물질이 극히 소량이라도 신뢰성 있게 검출할 수 있는 방법이 필요
□ 시사점
o 상당수의 연구자가 미세유체를 이용한 랩온어칩과 바이오센서를 연구하고 있으며, 그 효과를 극대화하기 위하여 나노구조물을 이용함
o 바이오센서 기술과 랩온어칩 기술과 같은 단위기술에 대한 연구가 주를 이루며, integrated system을 연구하는 그룹은 전 세계적으로 많지 않음
o integrated system 연구는 실용화 또는 사업화가 가능한 기술을 개발하므로, 정부 R&D 추진전략인 연구결과의 기술이전 및 기술사업화에 매우 유리함
o 이와 동시에, 나노바이오기술이 융합되는 integrated system을 연구하는 연구 그룹이 많지 않으므로, 이 분야에 연구를 집중한다면 세계적인 시장을 선점할 수 있음
3.2 국내 기술개발 동향
□ 기술개발 현황
o 나노바이오센서에 대한 수요가 가장 큰 분야는 의료 부문이며, 대부분의 나노바이오 연구개발은 의료진단을 목적으로 진행되고 있음
o 휴대가 간편하고 고감도 검출이 가능한 나노바이오센서 장치 개발에 연구의 초점이 맞추어져 있으며, 진단 및 연구용 나노바이오칩 및 어레이 기술 분야는 현재 시장은 크지 않지만 급격하게 발전하고 있어서 고부가가치를 창출한다는 측면에서 지속적인 연구개발이 필요함
o 나노바이오센서는 센서를 구성하는 소재와 센서소자 부문으로 나눌 수 있으며, 국내 나노바이오센서 소자 기술은 높은 수준에 도달하였으나, 소재 부문은 아직 선진국에 뒤쳐져 있고 정부의 지원도 미미한 실정임
□ 선도기관
o 국내의 나노바이오센서 연구는 연구소와 대학 및 기업체가 활발하게 진행하고 있으며, 대학과 연구소는 나노구조 및 나노입자를 이용한 바이오칩, 랩온어칩, 나노바이오센서, 맞춤의약 등 미래형 원천기술과 중개형 융합기술 개발을 통한 POCT, 분자진단, 먹거리안전, 맞춤형 헬스케어 등에 응용됨
o 기업체는 산업화가 가능한 기술레벨의 랩온어칩, 바이오칩을 응용하는 체외진단, POCT, 웨어러블 헬스케어 분야에 집중함
o 향후 주요 미래기술은 저가의 유전자 기반 질병진단 칩 개발이 될 것으로 예측되며, 이를 위하여 나노 기술과의 접목으로 고감도 바이오센서 개발에 집중하고 있음
표 6. 국내 나노바이오센서 선도 기관 (소재기술백서 2012, 재료연구소, 2012)
3.3 국․내외 특허 현황
□ 나노바이오센서 특허 현황
o 나노바이오센서의 전체 연도별 특허동향은 1984년인 출원 초반부터 꾸준히 출원이 증가해 온 것으로 분석되며, 2004년에 출원건수가 약세를 보였지만, 누적출원의 그래프를 바탕으로 전체 출원동향에는 크게 영향이 없는 것으로 분석됨
o 나노바이오센서의 첫 출원이 1984년으로 비교적 이른 출발이었으며, 최근까지 출원건수가 상당히 높게 유지되고 있는 것으로 보아, 나노바이오센서 분야는 현재까지 연구가 활발한 분야임이 입증되며, 당분간 출원 증가세가 이어질 것으로 전망됨
그림 3. 연도별 나노바이오센서 특허출원의 수 (전자의료기기 소자 특허분석, 나노종합기술원, 2014)
o 나노바이오센서의 국가별 특허동향을 살펴보면, 일본과 미국에서 출원된 특허가 각각 249건(41%), 220건(39%)으로 현저하게 높은 것으로 나타나며, 전체 특허의 78%를 차지함
o 특히, 전체 출원동향에서 미국의 출원이 압도적이었던 것과 비교했을 때 나노바이오센서 분야는 상대적으로 일본이 우세한 분야로 보여지며, 그 중에서도 대표출원인 추출결과를 바탕으로 일본의 Panasonic과 Matsushita가 나노바이오센서 분야의 기술을 선도하고 있음으로 분석되며, 동일분야의 개량발명과 다수의 패밀리 특허 출원을 통해 권리범위를 넓혀가고 있는 것으로 해석됨
그림 4. 국가별 나노바이오센서 특허출원의 수
(전자의료기기 소자 특허분석, 나노종합기술원, 2014)
o 나노바이오센서를 반응을 검출하는 주요기술에 따라 크게 형광, 발광, 광학, 전기화학으로 소분류 하였을 때 전기화학 신호로 검출하는 전기화학 나노바이오센서의 분야가 가장 큰 비중을 차지했으며 현재 가장 활발히 진행 중인 연구분야인 것으로 분석됨
o 전기화학 나노바이오센서 다음으로는 광학 나노바이오센서, 형광 나노바이오센서, 발광 나노바이오센서의 순으로 나타났으나, 발광효소를 이용한 전기화학 나노바이오센서나 광학 측정을 위한 전기화학 나노바이오센서 또한 전기화학 분야로 포함하였음을 고려해야 함
그림 5. 주요기술별 나노바이오센서 특허출원의 수 (전자의료기기 소자 특허분석, 나노종합기술원, 2014)
o 주요 출원인 동향을 살펴보면, 일본 기업인 Panasonic과 Matsushita가 각각 87건과 70의 특허를 보유하고 있어서 총 157건으로 대부분을 차지하고 있어 일본의 IP 점유율이 높은 것으로 분석됨
o 다른 주요 출원인으로는 미국의 다국적 제약회사인 Abbott와 미국의 헬스케어 기업인 Roche Diagnostics이 각각 21건씩의 특허를 보유하고 있으며, 다음으로 미국 기업인 DexCom이 19건의 특허를 보유하고 있는 것으로 나타남
그림 6. 주요출원인별 나노바이오센서 특허출원의 수 (전자의료기기 소자 특허분석, 나노종합기술원, 2014)
4. 나노바이오센서 시장동향
4.1 산업화 현황
□ 나노바이오센서 산업
o 나노바이오센서 기술은 의료진단(medical diagnostics), 연구실 실험용(microarray, sequencing), 자가진단 (home diagnostics), 생물방어(biodefence), 환경감시, 보안산업, 장치공업(process industry) 산업에의 활용 등 다양한 분야에서 이용이 가능한 매우 광범위한 성격의 기술임
o POCT를 포함한 의료진단 시장이 가장 큰 반면, 군사용 생물방어 시장이 가장 작은 규모로 파악되고 있으며, 연구실 실험용 시장은 이미 성숙기에 도달한 것으로 평가됨
o 최근 나노바이오센서 산업은 소형화(miniaturization) 및 비침습적(non-invasive) 방법의 개발에 많은 관심을 보여 왔으며, 현재 나노바이오센서 시장의 절반은 글루코스 진단 기술에 집중되어 있기 때문에, 미래의 시장에서는 타깃 물질의 다양화가 필요함
o 나노바이오센서 산업의 시장규모는 매년 증가하는 추세이며, 특히 국내시장은 40%에 육박하는 가파른 성장세를 유지하고 있음
표 7. 나노바이오센서 산업 시장규모 (한국바이오산업협회, 2010)
□ 나노바이오센서 해외산업화 현황
o 나노바이오센서는 사용되는 생체물질의 용도, 시스템화 정도, 고체 기질 위에 집적시키는 물질의 종류 등에 따라서 DNA칩, 단백질칩, 세포칩, 뉴런칩, 생체삽입용칩, 랩온어칩 등으로 구분됨
o ‘BCC Research’의 2010년 자료에 따르면 세계 바이오칩 시장규모는 2012년 42억 달러에서 연평균 17.7% 성장하여, 2015년 69억 달러로 확대될 것으로 예측하고 있음
그림 7. 국내외 나노바이오센서 시장의 예상 성장률 (BCC Research, 2010)
o 나노바이오센서 시장은 DNA칩이 가장 큰 비중을 차지하고 있으며, 그 뒤로 단백질칩, 랩온어칩, 기타칩 순으로 시장이 구성되어 있으며, 응용분야로는 보건의료, 환경, 정밀화학, 식품 및 생물공정, 정보/전자이며, 바이오센서와 유사하게 보건의료분야에서 가장 많이 활용되고 있음
o 보건의료분야에서 혈액검사, 유전자분석, 유전체·단백질 분석, 자가진단, 임상 진단시약, 질병진단 센서·키트 등의 개발에 주로 활용되고 있으며, 나노바이오센서의 진단 정확도·범위 등이 향상됨에 따라 적용 분야 또한 확대되고 있음
표 8. 나노바이오센서의 해외기업 동향 (중소기업 통합기술로드맵, 중소기업청, 2011)
□ 나노바이오센서 국내산업화 현황
o 국내 나노바이오센서 시장규모는 2012년 1,922억원에서 연평균 36.5% 성장하여, 2015년 5,220억 원으로 확대될 것으로 예측되며, 세부시장으로 DNA칩, 랩온어칩, 단백질칩 순으로 시장규모가 큼
o 나노바이오센서는 질병예측 및 진단, 신약개발, 뇌 연구, 유전체 연구분야에서 차세대 전자소자 개발에까지 새로운 부가가치를 지닌 국가 기반산업의 창출 및 산업구조 재편에 큰 영향을 끼치고 있음
o 단백질칩 시장은 전체 시장 대비 가장 낮은 비중을 보이고 있어 세계 시장과 유사한 구조를 보이고 있으나, 대부분의 생명 현상이 단백질 수준에서 일어난다는 점을 감안할 때 그 이용가치가 훨씬 높은 분야로 주목받고 있음.
o 국내 나노바이오센서의 단기 아이템으로는 질병진단용 칩이 대부분이며, 기술개발이 진행되면서 관련 제품 개발 또한 활발히 진행될 것으로 예측됨
o 국내 바이오기업인 ‘바이오니아’에서는 신개념 나노입자형 RNAi 신약 물질 특허를 확보한 ‘SAMiRNA’의 기술수출 가능성을 바탕으로 인간의 모든 유전자를 제어할 수 있는 난치병 치료용 유전자 전달시스템 개발을 목표로 시장에서 강세를 띠고 있음
표 9. 나노바이오센서의 국내기업 동향 (중소기업 통합기술로드맵, 중소기업청, 2011)
4.2. 시장 확대 전망
□ 나노바이오센서 시장 확대 전망
o 현재 바이오센서 시장은 세계 및 국내 시장 모두 혈액 내 글로코스 양을 측정하는 분야에 대부분의 역량이 집중되어 있으며, Microarray 기술(DNA chip, protein chip 등)을 이용한 질병진단, lab-on-a-chip(LOC) 기술을 이용한 미량 분석 및 다중 분석 기술 등 다양한 분야에서 바이오칩 시장이 성장하고 있음
o 특히, 나노바이오센서 기술을 이용한 현장진단 분야는 최근 정부 R&D사업 투자를 기반으로 많은 연구가 이루어지고 있으며, 대규모 비용이 소모되는 국가적 아젠다(수출입검역, 식품안전, 감염성질병관리 등)를 해결할 수 있는 분야로 인정되고 있음
o (수출입검역) 수출입하는 동·식물과 농축수산물의 검역은 지금까지 현장검사가 이루어지지 않았으나, 한국의 수출입 무역량이 증가할수록 기존의 검역방식(5~10일 소요)으로는 증가하는 수출입물량의 거류보관료와 제품 변질, 생물 부패 등의 부작용을 감당하기 어려워, 농립축산검역본부에서 직접 현장검사용 자동화시스템 개발을 요청하고 있는 실정이므로, 나노바이오센서 기술제품으로 수출입검역 현장검사라는 새로운 시장 창조가 가능
o (식품안전) 식품 위해 인자의 경우, PCR/항원-항체기반으로 검출하는 실험실 분석이 연간 12.6% 이상으로 가장 두드러진 성장세를 지속하고 있으나, 배양이 필요 없이 최대 2시간 이내에 식중독균 검출이 가능한 나노바이오센서 현장검사 시장은 현재까지 형성되지 않았으며, 이를 필요로 하는 기관은 대형급식소(28,000여개소), HACCP 의무 적용 업체(8,300여개소) 등 상당히 큰 규모의 신산업 시장이 잠재함
그림 8. 식품안전검사 세계시장 규모 (Kalorama Information, 2013)
o (감염성질병관리) 구제역과 조류 인플루엔자와 같은 감염성 질병의 경우, 2000년 이후 주요 가축 전염병으로 살처분된 소·닭·돼지·오리는 최소 1980만6972마리이며, 이에 따른 살처분 보상금과 소독약 비용 등 직접적인 방역 비용만 포함된 피해액은 2조2871억원으로 집계되어, 빠른 현장 판단과 조치를 위한 나노바이오센서 현장검사 시장의 잠재력과 규모가 매년 수천억 대에 이를 것으로 예상됨
그림 9. 2000년 이후 국내 가축 살처분 현황(농림수산식품부, 2011)
□ 나노바이오센서 시장 확대 저해 요인
o (나노바이오센서 인프라 부족) 미래 핵심성장엔진으로 나노바이오융합 분야가 주목받고 있으며, 이를 구현해줄 나노바이오융합기술 인프라 구축이 필요하지만, 국내의 경우 이를 체계적으로 지원할 인프라가 없음. 대전 소재의 나노종합기술원을 비롯한 국내 나노인프라 기관에서 CMOS/MEMS/신소재/Bio/정밀분석 등의 분야에서 다양한 장비와 전문인력을 구비하고 있으나, 대부분 분석장비 위주이며 나노바이오 융합분야 지원을 위한 전문적인 장비 구축이 미흡하며, 나노바이오 융합기술개발 전주기 지원에 한계를 보임
o (나노바이오 융합기술·인력 부족) 나노바이오센서 소자 및 시스템의 연구개발은 생명공학·화학·물리학·재료공학·기계공학·전자공학·의료공학 및 의학 등 많은 학문 분야가 필요하며, 이러한 융합 및 통섭이 가장 중요시 되는 분야 중 하나이므로 다학제 연구가 필요하나 나노바이오 융합기술을 전문적으로 지도하는 기관이 부족하여 관련 지식과 경험을 습득한 나노바이오 전문인력이 턱없이 부족한 실정임
5. 나노바이오센서 발전 전망
5.1 세계시장 발전 전망
□ 나노바이오센서 세계시장 발전 전망
o (나노바이오칩 기술) 저가의 유전자 기반 질병진단 칩 개발이 활발하게 이루어지고 있으며, 나노 기술과의 접목으로 고감도 바이오센서 시장이 발전할 것으로 예상됨
o (분자진단 POCT기술) 현장진단을 위한 Real-time PCR 기술을 이용 고집적, 휴대형 진단시스템 연구가 활발하게 이루어지고 있으며, 이를 이용한 현장진단 자동화기기 시장이 발전할 것으로 예상됨
o (미세유체 연계기술) 현재 MEMS 기술을 이용한 미세유체 형성기술 개발이 활발하며, 이를 이용한 미세유체 기반 나노바이오센서 시장이 커지고 있음
o (무선센서 연계기술) MEMS 기술을 이용한 각종 sensor를 구현하여 생체신호를 모니터링 하는 나노바이오센서의 개발되고 있으며, 모니터링된 생체신호를 무선통신을 기반으로 전달하는 헬스케어 기술로 발전되고 있음. 현재는 체온, 맥박 등의 기본 정보만 전달 가능하나, 질병의 진단뿐 아니라 자가 치료 (selfcare) 기능이 탑재된 제품 시장이 예상됨
5.2 국내 기술과 시장 전략
□ 나노바이오센서 기술/시장 전략
o (나노바이오인프라) 나노바이오 융합기술 관련 장비 인프라를 구축함으로써, 기존에 구축된 나노기반 장비와의 시너지 효과를 추구하고, 바이오칩 및 진단기기의 연구개발/시제품생산/시험평가/전문인력양성 등의 전방위 지원이 필요함
o (나노바이오인력) 나노바이오센서 연구개발은 생명공학·화학·물리학·재료공학· 기계공학·전자공학·의료공학 및 의학 등 많은 학문 분야가 필요하며, 이러한 융합 및 통섭이 가장 필요하며 중요시 되는 분야 중 하나이므로, 각각의 기술을 보유한 연구자 및 기관간 효과적인 의사소통이 가능한 융합적 소양을 가진 인재 양성이 필요함
o (기술사업화지원 분야) 본격적인 U-헬스케어 시장이 시작되었으며, ‘치료’에서 ‘예방 및 진단’으로 의료소비 형태가 변화하고 있기 때문에, 범부처 차원에서 나노바이오센서를 이용한 진단기기 개발과 기술사업화를 지원하는 사업을 확대하고, 경쟁력 있는 상용제품을 개발을 촉진하여야 함