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[미국 Intel(인텔)과 프레드 허친슨 암 연구센터, 나노기술을 라만 효과(Raman Effect)와 레이저 빔에 적용한 (1) 칩(Chip)의 결함을 사전에 발견하는 것과 같이 (2) 이를 세포 분자 단위에 적용하여 암(Cancer)을 조기에 진단 발견하는 라만 바이오분석 시스템(Raman Bioanalyzer System) 개발에 도전(03/Nov/2003)]

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1. 반도체 칩(Chip)의 결함을 나노기술로 사전에 진단 예방

향후 10년은 나노시대가 도래한다. 일본의 닛케이비즈니스데일리가 2003년 10월 14일에 발표한 102명의 일본 제조업체 최고기술책임자(CTO)들을 대상으로 조사한 결과에 따르면 향후 10년간 역량을 집중해야 할 기술로 나노기술이라는 응답자가 53%나 나온 것이다. 그 다음 환경기술이 48%였고 생명공학기술은 45.1%에 달해 결국 정보기술(IT)이 나노기술을 만나 작아져 인간의 생체나 환경에 접목된다는 것을 알 수 있다.

결국 10년 안에 우리가 사용하는 대부분의 제품들은 나노기술이 접목된 제품이라는 점을 보면, 그 제품이 정말 제대로 된 나노기술이 접목되었는지가 최대 관건이다. 나노란 10억분의 1미터 크기여서 우리 눈으로 볼 수 없기 때문에 이를 확인 할 방법은 주사터널현미경(STM), 원자력현미경(AFM)이나 나노현미경으로 살펴보아야 하는데 우리 일반 고객들은 이의 접근이 불가능하다는 점이다. 눈에 보이는 제품이라면 만져도 보고 두드려 보면서 성능과 특성을 평가할 수 있겠지만 나노 단위 제품은 너무나 작기 때문에 그렇게 할 수 없는 것이다.

그래서 Intel이나 삼성전자 등의 반도체 기업들은 점점 작아지는 나노 칩을 개발하면서 불량품이 없도록 사전에 진단하는 기술들을 개발하고 있는 것이다. 이 때 활용되는 기술이 바로 나노기술이다. 반도체 칩을 생산할 때 나노기술은 실리콘 칩의 결함을 사전에 진단 발견하는데 사용되는 것이다. 나노 칩뿐 아니라 앞으로 10년 내에 우리가 사용하는 제품들은 나노제품이기 때문에 이들 나노제품도 사전에 진단할 필요가 있는 것이다. 예를 들어 한국의 경남대 신소재공학부 나노미세구조연구그룹(윤존도 교수)은 수십억 원에 이르는 고가 장비를 갖추고 기업체나 다른 연구기관이 만든 나노 물질의 특성에 대한 평가를 한다. 이들은 바로 전자현미경이나 주사탐침현미경 등을 이용해 나노 분말과 나노 박막을 분석하는 일을 하는 것이다. 미세한 탐침 또는 날카로운 압정으로 표면을 긁거나 눌러서 표면에 대한 정보를 평가하는 것이다. 예를 들어 이들이 평가하는 제품은 LCD와 PDP 등인데 이에 쓰이는 박막은 100나노 수준으로 매우 얇다. 그러나 주사탐침으로 이들 박막에 손상을 주지 않고 특성을 평가할 수 있다.

2. Intel - 이 나노기술을 바이오에 적용, 라만 바이오분석 시스템(Raman Bioanalyzer System) 개발에 도전

미국의 Intel 또한 마찬가지이다. 나노 단위의 칩의 결함(imperfections)을 사전에 진단하여 발견하는데 나노기술을 활용하고 있는데, 이들의 발상은 한 걸음 더 나아가 아예 이 나노기술 베이스의 사전진단 기술을 바이오에 적용하려고 하는 것이다. 그러면 같은 방법으로 아주 정확하고 세밀하게 암(Cancer)을 사전에 진단 발견하여 조기에 치료할 수 있는 길이 열리는 것이다. 나노기술을 바이오에 적용하여 암을 사전에 진단발견 하려면 이는 그저 한 명의 생물학자, 한 명의 물리학자에 의해 개발되는 것이 아니다. 그래서 Intel은 이를 위한 10여명의 이종(서로 다른 분야의, disparate) 연구원들을 배치했다. 엔지니어, 화학자, 물리학자, 나노기술자 등으로 이루어진 한 팀(cadre)이 현재 이들 나노기술을 이용한 하나의 바이오 시스템 진단기를 개발하여 세포 단위의 분자와 분자사이에 발생하는 각종 질병들을 사전에 진단 발견(detect)하는데 온 힘을 쏟고 있는 것이다.

만약 이들이 개발하는 진단기가 잘만 작동된다면 이 것은 지금까지의 어느 진단기보다 가장 정확하고(accurate) 가장 세밀한(precise) 암 진단(cancer diagnostic) 방법이 될 것임은 분명하다. 이 기술을 적용하면 각종 질병의 초기 환자들을 진단하여 초기에 치료(treat)할 수 있는 것이다.

"이 것은 여태까지 의료시장에 등장한 어떤 의료 연구방법보다 가장 민감한(sensitive) 방법이며 동시에 다양한 질병 분야로 대량화 할 수 있는 방법입니다"라고 Intel의 정밀생물프로그램(Precision biology program)을 리드하는 Andy Berlin은 힘주어 말하고 있다. Berlin 그룹은 현재 캘리포니아주 Santa Clara 소재 본사에 600 평방피트 크기의 연구실에서 이 진단기의 프로토타이프를 개발하고 있다. 그리고 프레드 허친슨 암 연구센터(Fred Hutchinson Cancer Research Center)가 이 소식을 들었을 때 의사들은 이 진단기를 테스트하고 싶어했다. 그레서 Intel의 연구원들은 Seattle 소재 이 암 연구센터에 똑같은 진단기를 만들고 있다.

그러면 도대체 이 진단기는 무엇이 다른가? "무엇이 다르냐고요? 바로 하나의 싱글 분자들을 볼 수 있다는 점이죠"라고 Berlin은 강조한다. 잘못된 단백질(Errand proteins)들은 결국 각종 사건을 카사케이드(cascade)로 일으켜 암에 이르게 하는데, 이 단백질들은 바로 하나의 분자로 이루어지는 것이다. 그래서 이 진단기는 이들 분자들을 보고 살펴 어떤 패턴을 찾아내면 쉽게 초기에 암을 발견할 수 있는 것이다.

이 프로젝트는 매우 리스크가 크다고 Berlin은 말한다. 이들이 개발하는 진단기는 소위 말하는 라만 바이오분석 시스템(Raman Bioanalyzer System)인데 아마도 완벽하게 개발하는데 최소 1년이 걸릴 수 있기 때문이다.

하지만 Intel은 이를 개발하기 위해 Berlin을 특별 채용하여 정밀생물그룹(Precision Biology Unit)의 수장으로 본 프로젝트를 이끌게 했으며, Intel은 바로 이들 기술들이 바이오텍에서 조만간 획기적인 희망과 약속을 줄 것으로 기대하고 있는 것이다. 이를 위해 Berlin은 Intel 이 기존에 사용하고 있는 칩 결함 사전 진단발견에 사용되고 있는 Intel의 라만 분광계(Intel's Raman Spectrometer)를 선택했다. Berlin은 생각하기를 똑같은 방법으로 이 라만 분광계는 인간의 세포분자 속에서의 결함을 찾아낼 수 있을 것으로 믿었다. 물론 시간은 걸리겠지만 성공하면 대박(Payoff)이 터질 수 있는 장기간 프로젝트이다.

조합물(chemical compounds)들을 분석하는데 그간 많은 과학자들이 도전을 해왔지만 아직 어느 누구도 피부(skin)나 피(blood)와 같은 생물학적 물질들에 확대 적용 테스트한 예가 없는 분야이다. "우리는 소의 피(cow blood)를 관찰 분석하여 무언가 커다란 발견과 이해를 했습니다. 그러나 아직 인간 대상은 조금 더 시간이 필요합니다"라고 Berlin은 말한다.

3. 라만 효과(Raman Effect)란 무엇인가?

Intel 이 시도하고 있는 라만 바이오분석 시스템(Raman Bioanalyzer System)은 소위 말하는 라만 효과(Raman Effect)에 기초를 둔다. 이는 일련의 화학적 바 코드(a kind of chemical bar code)이다. 인도의 물리학자로 빛 산란에 대한 연구와 라만 효과를 발견하여 1930년 노벨 물리학상을 수상한 Chandrasekhara Venkata Raman은 1928년 다음과 같은 사실을 발견한다. 다양한 화학적 조합물질(various chemical compounds)를 통해 빛을 보냈더니 다른 쪽에서 나오는 빛들은 다르게 보였다. 이들 다르게 보이는 빛들은 바로 그 물질의 특징적인 광선이 나타난 것이다. 그런데 바로 이 광선(optical signals)들은 분광계(spectrometer)를 사용하면 다양한 화학물질들을 분별하는 하나의 방법이 된다는 사실이다.

[참고]

* Sir Chandrasekhara Venkata Raman(1888∼1970. 인도의 과학발전에 크게 이바지한 인도의 물리학자)

어떤 종류의 빛이 투명한 물질을 지나갈 때 파장이 변한다는 사실을 발견한 공로로 1930년 노벨 물리학상을 받았다. 라만은 1917년 캘커타대학교 물리학교수가 되었다. 그는 여러 물질에서의 빛의 산란을 연구하다가 1928년 단일한 진동수를 가진 광선을 비추면, 빛이 입사된 방향과 수직으로 그 물질에 특징적인 다른 진동수의 광선이 나타난다는 사실을 발견했다. 이른바 라만 진동수라고 부르는 이 진동수는 물질의 적외선 진동수와 같고 빛과 물질 사이의 에너지 교환으로 생겨난다. 1929년 기사작위를 받았고, 1933년 방갈로르에 있는 인도 과학연구소의 물리학 분과장으로 취임했다. 1947년 라만 연구소의 초대 소장으로 임명되었고 1961년 판티피컬(Pontifical) 과학 아카데미의 회원이 되었다. 라만은 당시 인도의 거의 모든 연구기관의 설립에 기여했으며 <인도 물리학 학회지 Indian Journal of Physics〉를 창간했다. 인도 과학 아카데미를 설립했고, 뒷날 인도와 미얀마의 대학교나 정부에서 중요한 자리를 맡게 된 수백 명의 학생들을 가르쳤다.

* 라만효과 (Raman effect) - 투명한 물질에 단일파장의 강한 빛을 조사(照射)하여 산란광(散亂光)을 분광(分光)하면, 입사광(入射光)과 같은 파장을 가진 빛 이외에 그보다 약간 긴 파장이나 짧은 파장의 스펙트럼선이 관측되는 현상을 말한다. 1928년 인도의 C.V.라만에 의해 발견되었다. 물질이 빛을 받았을 때 물질은 에너지를 흡수할 뿐만 아니라, 때로는 고(高)에너지 상태로 있던 분자가 에너지를 방출할 수도 있다. 그래서 조사광 에너지의 일부가 물질을 구성하고 있는 원자의 진동이나 분자의 회전을 위한 에너지로 쓰이고, 나머지 에너지가 빛으로서 산란될 때는 파장이 긴 빛이 산란광(스토크스線이라고 한다)에 섞이고, 반대로 물질이 가지고 있는 에너지가 빛에너지에 가해질 때는 산란광(反스토크스선이라고 한다)의 파장이 짧아진다. 이 현상은 빛을 양자(量子)로 다루는 양자론에 의해서만 설명이 가능하다. 즉, 진동수 u인 빛은 hν(h는 플랑크상수)인 에너지 덩어리(광자)이며, 이것이 물질에 닿았을 때 얻거나 잃는 에너지를 w라 하면, 광자의 에너지는 hν±w가 되고, 진동수가 w/h만큼 변동된 빛으로서 관측된다. 물질이 흡수 ·방출하는 에너지는 각 물질을 구성하는 분자구조와 밀접한 관계가 있고, 라만효과에 따른 산란광은 각 물질에 고유한 것이므로, 산란광을 분석하면 그 물질의 분자구조를 추론하는 실마리가 된다.
 
4. 레이저 빔을 활용 - 문제는 비용

Intel의 라만 분광계는 1928년 라만이 얻은 광선들보다 더욱 강력한 칩들을 이끌어내는 레이저 빔(laser beams)을 이용하고 있다. "레이저 빔을 이용하면 각각 다른 광파장(optical wavelength)의 패턴을 얻을 수 있습니다. 이들은 어떤 분자를 보느냐에 따라 다른 광파장을 보여주게 되는 것이죠"라고 Berlin은 말한다. 그래서 Intel의 연구원들은 지금 이들 다양한 라만 광선에 다양한 물질들을 넣어 일련의 패턴을 찾아내고 있는 것이다. 예를 들어 위암의 경우는 다른 빛이 산란될 것이고 간암의 경우는 또 다른 광선이 보이게 될 것이다. 이들 암들을 대량 수집 샘플링하여 각각 암의 특징적인 빛의 패턴만 찾아낸다면 게임은 끝나는 것이다.

MIT 공대와 National Institutes of Health도 현재 라만 분광학 또는 라만 분광법(Raman Spectroscopy)으로 같은 연구를 하고 있다. 그러나 이들의 연구는 Intel 과 비교한다면 초보수준에 불과하다. 그렇다고 Intel이 이 분야의 선두주자가 될 것이라고는 아무도 장담하지 못한다. 문제는 대량적인 발견을 할 수 있는 캐퍼(quantitative detection capacity)와 이 진단기의 비용이라고 University of Missouri at Kansas City의 라만 분광학자인 George Thomas는 지적한다. 그러나 Intel 과 같은 기업들이 다른 암 병원들과 공동으로 연구개발한다면 이는 극복할 것으로 보고 있다.

현재 Intel은 이 새로운 진단기 개발에 자체적인 돈을 쏟아 붓고 있다. 허친슨 암 연구센터는 그저 빌딩만 빌려주고 있다. 하지만 허치슨의 연구원들은 이 프로젝트가 초기 진단이라는 혁명적인 의술 방법으로 떠오를 것임을 확신하고 있다. "우리는 현재 초기 발견에 온 힘을 쏟고 있습니다. 또한 혈청(serum)이나 다른 몸액(body fluid)에서 암을 유발하는 바이오마커(biomarkers)들을 찾고자 합니다. 이 목표들은 결국 이 새로운 진단기로만 가능할 것입니다"라고 허친슨 센터의 전략개발담당 부사장인 Peggy Means 는 말한다.

5. 프레드 센터의 리 하트웰(Lee Hartwell) 연구소장, 앞으로 5년내 암 정복 기술 개발

"암 정복 기술은 협력연구를 전제로 5년 내 개발될 것이고, 임상실험까지는 다시 5∼10년 정도가 필요할 것입니다" 라고 2003년 10월 28일 BT의 국제 교류 및 협력을 모색하기 위해 생명공학연구원을 방문한 미국 프레드허친슨암연구소 Lee Hartwell 소장(64)을 말했다. 그는 15년 내에는 모든 암이 치료될 것으로 전망했다.
http://www.fhcrc.org/visitor/nobel/

지난 2001년 암연구로 노벨생리의학상을 받은 그는 “신약개발에는 많은 시간이 필요하기 때문에 암의 조기진단이 중요하다”며 “암을 조기에 발견하면 향후 5∼10년 내 90% 가량 생존할 수 있게 될 것”이라고 강조했다. 그는 “제약회사들이 세포분열 연구를 통해 암 제어 물질을 찾고 있지만 거의 진전이 없는 상황”이라며 “조기 진단을 위한 단백질이나 혈액 분석기술 개발이 시급하다”고 설명했다.

그는 한국과의 BT분야 협력에 대해 “프레드허친슨암연구소와 생명연의 협력 가능성을 타진하려 한다”며 “이제는 국제협력을 통한 데이터 공유가 절실한 상황”이라고 말했다.
또 국내 바이오 산업에 대해서는 “생명과학이 복잡하기 때문에 의학이나 물리, 화학, 컴퓨터 등 다른 분야와의 산업협력이 이루어져야 한다”며 “과학적 역량이 일정 수준에 도달하면 그 이후에는 충분한 자금조달이 뒷 받침되야 할 것”이라고 덧붙였다(발췌 : 전자신문 2003년 10월 30일자, 29면 인물란 "5년내 암 정복 기술 개발")
 
[소스]
[Wired-Name That Cancer in One Molecule(03/Nov/2003)]
[전자신문 - "5년 내 암 정복 기술 개발(30/oct/2003)]

[참고서적]
[Modern Techniques in Raman Spectroscopy, by J. J. Laserna (Editor), John Wiley & Sons; 1 edition (August 28, 1996)]

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