▲ 실크 바이오센서 모식도.

국내 연구진이 누에에서 얻은 실크를 이용한 인체 친화적 특성을 갖춘 고성능 나노광학 바이오센서 개발에 성공해 ICT 기반 스마트 헬스케어 시장 진입이 앞당겨질 것으로 기대되고 있다.

한국연구재단(이사장 정민근)은 23일 아주대학교 물리학과·에너지시스템학과 김성환 교수(교신저자)가 주도하고 서울대학교 물리천문학부 이명재 박사과정(제1저자)과 전헌수 교수(공동저자)가 공동으로 수행한 실크 단백질 기반 나노광학 바이오센서 연구 논문(A Highly Tunable and Fully Biocompatible Silk Nanoplasmonic Optical Biosensor)이 국제학술지 나노 레터스(Nano Letters) 온라인 사이트에 지난 1일자로 게재됐다고 발표했다.

나노광학은 나노미터 크기 수준에서 빛의 거동을 연구하거나 물질과 빛의 상호작용을 연구하는 학문으로 금속 또는 유전체 물질의 나노구조 제작에 필요한 기술을 말한다.

이번 성과의 핵심은 누에고치로부터 액체 상태의 실크 단백질(누에고치를 구성하는 단백질로 미국 FDA 승인을 받은 생체친화 물질)을 추출한 뒤 반도체 공정기술을 활용해 실크 필름에 금 나노구조가 부착된 나노광학소자를 구현한데 있다.

나노광학소자는 금 나노구조 사이에 매우 얇은 실크 필름을 넣어 필름이 물이나 알코올과 같은 화학물질에 감응해 부피가 팽창하는 원리로 작동한다. 필름이 팽창할수록 나노광학소자가 반응하는 빛 파장이 크게 확장돼 높은 민감도를 구현할 수 있다.

그동안 굴절률 기반 바이오센서로는 크게 이는 파장 변화를 감지하기 어려웠다. 기존 굴절률 센서는 작은 nm 파장을 구분하지만 실크 센서는 100nm 이상 파장 변화를 감지하도록 구현됐다. 물과 알코올, 혈당 센서 등으로 실험했을 때 기존 굴절률 센서 대비 5~6배 높은 검출 민감도를 보인 것으로 확인됐다.

또 실크센서는 구성 물질이 주로 유리, 반도체와 같은 인체 유해한 물질로 구성된 기존 센서와 달리 인체 무해한 성분을 갖췄다.

한국연구재단 관계자는 “차세대 산업으로 부상 중인 스마트 헬스케어는 생체신호의 실시간 분석을 통한 질병의 조기 진단과 환자별 맞춤치료를 목표로 한다”며 “이를 위해서는 인체에 친화적인 소재로, 빛과 같은 전자기파로 신호를 주고받을 뿐 아니라 높은 검출민감도를 가지는 센서의 구현이 필수적으로 요구된다”고 설명했다.

김성환 교수는 “섬유로만 알고 있던 실크 단백질이 생체친화적인 신개념 나노광학 기반 바이오센서로 재탄생하였다는 데에서 본 연구의 의의가 있다”며 “이를 바탕으로 헬스케어 시장의 미래 연구 가능성을 불어넣을 수 있을 것이라 기대하고 있으며 농업 산물인 실크의 고부가가치 창출도 가능할 것”이라고 소감을 전했다.