단백질 메모리 - 반도체 칩 다음은 '세균 칩'?

단백질 메모리 - 반도체 칩 다음은 '세균 칩'? 2001년 07월 01일

실리콘 반도체기술의 비약적 발전으로 정보기술의 혁명적 도약이 가능했다. 그러나 실리콘 소자가 갖고 있는 물리적 한계 때문에 새로운 대안이 나타나지 않으면 컴퓨터 기술, 나아가서는 정보사회의 발전에 제동이 걸릴 것으로 예상된다. 실리콘 반도체의 한 조각(칩) 위에 전자회로를 집적시킬 때 가장 중요한 것은 집적회로를 구성하는 요소 사이의 간격을 좁히는 기술이다. 간격이 좁을수록 요소를 더 많이 집어넣을 수 있기 때문이다. 그러나 요소 사이의 간격이 0.25 마이크론(100만분의 1미터)이 되면 너무 좁아서 전자가 흐름을 조절하는 장벽을 곧바로 관통할 것으로 보인다. 회로 선폭이 0.25마이크론 이하로 내려가면 전자가 한 장소에서 다른 장소로 제멋대로 뛰어다니게 되므로 더이상 전자의 흐름을 제어할 수 없게 된다. 전자공학이 기능을 상실하고 양자역학의 원리가 적용되기 시작하는 것이다. 삼차원 기억소자 개발로 '초미니 컴퓨터' 눈앞에 실리콘 소자 기술의 가장 유력한 대안의 하나의 생체칩(biochip)이다. 단백질과 같은 생체분자를 집적시킨 전자소자를 생체칩이라고 한다. 생체의 기본물질인 단백질 분자는 특별한 3차원 형태를 취할 때 비로소 특이한 생물학적 기능을 발휘한다. 전체 형태(입체구조)가 조금이라도 바뀌면 단백질의 성질은 엉뚱하게 바뀌어 버린다. 단백질은 자발적으로 자신의 입체구조를 형성하는 자기조직화 능력을 갖고 있는 것이다. 생체 칩은 구조와 기능면에서 실리콘칩과 현저한 차이가 있다. 구조 측면에서 실리콘칩은 평면(2차원)이지만 생체칩은 입체(3차원)다. 따라서 회로 선폭을 10분의 1로 줄인다면 동일면적에서 실리콘 칩은 100배의 소자를 더 집적시킬 수 있지만 생체칩은 1000배의 소자를 더 집어넣을 수 있다. 기능면에서는 실리콘 반도체가 무기질인 반면에 단백질은 유기물질이므로 애당초 비교의 대상이 안된다. 단백질의 자기조직화 능력을 이용해 전자소자를 제조하는 것이 생체칩 연구의 궁극적인 목표인 것이다. 생체 칩은 아이디어 수준에 머물고 있지만 단백질을 인위적으로 합성하는 기술, 즉 단백질 공학이 발전하면 현실화될 것임에 틀림없다. 생체칩과는 별도로 단백질을 전자소자로 활용하는 연구 역시 성과를 거두고 있다. 대표적인 사례는 미국의 로버트 버지 교수가 개발한 단백질 메모리(protein memory)다. 미국 유타주의 솔트레이크나 이스라엘의 사해는 염분이 많은 호수로 유명하다. 이러한 곳에는 할로박테리아라 불리는 호염성(好鹽性) 세균이 많다. 이 세균의 세포막에는 박테리오로돕신(bacteriorhotopsin)이라는 단백질이 존재한다.

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‘단백질 바이오메모리개념’세계최초로 구현 성공

원천기술 확보, 관련 인프라 구축 통해 활발한 사업진행

2008년 05월 09일 (금) 11:45:08 취재_남윤실 차장 gosisa@korea.com

현재 우리나라는 바이오전자소자사업을 정부차원에서 2010년까지 성장의 주력산업으로 육성할 계획이며, 국가 경쟁력을 높이기 위해서는 바이오전자소자 신기술을 적극 연구·개발하고, 이를 바탕으로 새로운 산업과 시장을 만드는데 더욱 심혈을 기울여야 한다. 이러한 사회적 변화에 적극 대처하고 우리의 기술력을 바탕으로 세계 최고의 바이오전자소자 강국을 건설하고자 서강대학교 바이오전자소자사업단(최정우 단장)의 산·학·연 연구진들은 지금 이 순간에도 구슬땀을 흘리고 있다. 최정우 단장을 만나 바이오전자소자의 중요성과 사업단의 연구 성과에 대해 들어 보았다. ▲ 바이오전자소자 분야의 전문가들을 초청해 사업단의 연구성과를 소개하고 향후 연구방향에 관한 간담회 및 워크샵을 개최하는 등 지속적인 기술교류를 유도하고 있다. 상호협력연구를 통해 바이오전자소자 분야 선도 21세기 산업을 주도할 바이오칩 기술개발에 대한 중요성이 부각됨에 따라 「나노바이오기술개발사업」에 대한 연구를 활발하게 추진하고자 교육과학기술부에서는 2005년도에 바이오전자소자사업단을 9년간 80억 원을 지원하는 장기프로젝트를 수립해 산·학·연이 서로 원활한 네트워크를 이룬 가운데 사업이 순조롭게 진행되고 있다. 이 사업의 우수한 사업성과를 기대하기 위해서는 다양한 학문간 협력과 산업체, 정부, 대학의 산학연 협조체제 구축이 무엇보다 절실하다. 이에 사업단에서는 서강대학교를 중심으로 하여 한국과학기술원, 포항공과대학교, 한국생명공학연구원, 부산대학교 등이 참여하고 있고 바이오전자소자 분야에서 국내 최고를 자랑하는 책임급 연구진 10명, 선임급 연구진 12명, 원급 연구진 68명의 전문가들이 역량을 집중하고 있다. 이외에도 바이오전자소자 분야의 전문가들을 초청해 사업단의 연구 성과를 소개하고 향후 연구방향에 관한 간담회 및 워크샵을 개최하는 등 지속적인 기술교류를 유도하고 있다. 즉 바이오전자 분야 연구 인프라를 구축하여 보다 체계적이고, 다학제적인 신 기술창출과 이를 통한 최첨단 연구인력을 양성하고 있는 것이다. 최정우 단장은 “바이오소자전자 기술은 시장의 성장성, 산업의 파급효과, 고용창출 및 기술개발의 선점효과 측면에서 우리나라의 국가 기반산업의 창출 및 산업구조 개편에 커다란 영향을 미칠 것으로 예상됩니다”라며 “여러 기술이 복합적으로 적용될 미래 첨단 산업의 출현에 미리 대비하기 위해 최선을 다하고 있습니다”라고 말했다. 그동안 진행해온 연구과제들에 대한 성과도 탁월하다. 2005년부터 3년간 1단계 사업에서 ‘우수한 연구성과를 거두며 성공적으로 마쳤다’는 평가를 받으며 2008년 4월부터 2단계 사업을 진행하고 있다. 1단계 연구성과로는 네이처 나노테크놀로지, 플랜트 셀, 앙게반테케미 지, 나노레터 등 세계적 권위의 최우수 논문 33편을 포함하여 전문학술지 74편 출판, 국내·외 특허 출원 및 등록 40건 등으로 그동안의 많은 노력들이 여실히 드러나고 있다. 사업단의 이 같은 우수한 사업성과뿐만 아니라 최정우 교수가 연구책임자로 있는 서강대학교 나노바이노전자연구실에서는 바이오전자소자기술이 미래를 여는 새로운 동력산업으로 떠오를 것을 일찌감치 인식하고 연구에 돌입한 결과 2001년도부터 지금까지 바이오전자소자 관련하여 SCI급 150여 편 발표, 18건의 특허출원등록 등 매우 활발한 학술활동 및 원천기술 개발을 진행하고 있다. ▲ 최정우 교수가 연구책임자로 있는 서강대학교 나노바이노전자연구실에서는 2001년도부터 지금까지 바이오전자소자 관련하여 SCI급 150여편 발표, 18건의 특허출원등록 등 매우 활발한 학술활동 및 원천기술 개발을 진행하고 있다. 단백질 바이오메모리개념, 세계 최초로 구현 특히 이 사업단이 세계적인 주목을 받는 가장 큰 이유는 차세대 정보저장용 바이오전자소자 분야의 핵심기술이 될 수 있는 단백질 기반 ‘바이오메모리개념’을 세계 최초로 구현하는데 성공했다는 점이다. 사업단에서 지속적으로 연구한 결과 이번에 개발한 ‘바이오메모리 디바이스’는 시스테인 잔기가 도입된 재조합 단백질을 자기조립기능을 이용하여 효율적인 생체 모방막을 형성하였고 이를 칩에 응용하여 단백질기반 바이오메모리 장치를 구현하였다. 본 장치의 특징은 박막화된 단백질 고유의 산화환원 전기화학적 성질을 외부 전압에 의해 조절가능하게 하고 간단히 외부전위를 변화시킴으로써 바이오메모리의 기본 핵심 기능인 읽기(Read), 쓰기(Write) 및 지우기(Erase) 기능을 보유하게 만들었다는 점이다. 이와 같은 제안은 단순히 공정을 이용하여 무기물과 전자전달이 용이한 단백질 박막을 형성한다는 획기적인 개념이다. 즉 생체분자가 보유하고 있는 자연계 교유의 전자 전달 원리를 전기화학·전기적 측정방법으로 분자전자소자에 응용할 수 있다는 점에서 새로운 시도로 바이오칩 분야를 선도하고 있는 미국, 독일, 일본 등의 선진국을 막론하고 국내·외에서 개발된 적이 없는 세계 최초의 개발, 원천기술이라는 점에서 더욱 의의가 크다. 최정우 단장은 “이 개념은 생체계의 효율적인 정보전달 원리를 전자소자에 응용할 수 있어 기존의 전자소자의 성능을 극대화 시킬 수 있고 단일 단백질의 전자이동을 검출하는 경우, 고밀도의 분자전자소자를 구현할 수 있을 것으로 예상됩니다”라고 말했다. 또한 단백질 기반 바이오메모리 디바이스는 국내 원천 기술이 풍부한 실리콘 반도체 산업기술과 아직 연구 및 개발단계에서 진행되고 있는 바이오 기술이 접목된 전기 측정형 바이오 전자 칩 기술 개방에 크게 기여할 것으로 예상되고 있다. 또한 본 기술은 현존하는 바이오 칩의 집적도 및 민감성을 비약적으로 향상시킬 수 있을 것으로 전망된다. 개발된 원천기술은 대중화된 소형 진단용 나노 바이오 전자 칩 기술 개발에 응용할 수 있으므로 이 기술을 통하여 우리나라를 주도로 단백질 칩 기술 중 정보저장에 적합한 기술 표준화를 선도할 것으로 기대가 모아지고 있다. 이 기술은 국제적으로 저명한 학술지인 Applied physics letter에 발표되어 기술의 우수성을 인정받고 전 세계적으로 소개된 중요한 기술이다. 지금 산발적으로 흩어져 있는 바이오전자 분야의 작은 인프라들을 네트워크로 연결해서 활용할 수 있도록 해야 한다. 지금까지 바이오전자 분야에 구축된 인프라와 현재 우수한 연구원들의 노하우가 합쳐져서 연구가 진행된다면 시너지 효과가 발생할 것이다. 바이오전자소자 분야의 인프라와 사업단의 우수한 연구 성과가 밑거름이 되어 국내의 바이오전자소자 기술이 세계적으로 우위를 선점하리라는 기대를 걸어본다. =============== 日, 단백질 이용한 고성능 메모리반도체 개발   [연합뉴스 2008-03-21 18:37] (오사카=연합뉴스) 윤석상 통신원 = 마쓰시타전기산업과 오사카대학, 도쿄공업 대학 연구팀이 단백질을 이용한 고성능 메모리 반도체 기술 개발에 성공했다고 니혼 게이자이(日本經濟)신문이 21일 보도했다. 신문에 따르면 연구진은 내부에 빈 공간이 있는 구상 단백질로 불리는 페리틴 안에 금속을 집어넣어 기판 위에 규칙적으로 배열하는 메모리 기술을 개발, 시제품 실험에 성공했다고 밝혔다. 기존에 단백질을 이용한 반도체 기술이 개발됐지만 단백질이 알칼리성 금속 환 경에서만 기능하는 한계가 있었으며, 알칼리성 금속이 반도체의 고장이나 오작동의 원인이 되기 때문에 메모리 반도체 소자 개발에 어려움이 있었다. 연구진은 새로 개발된 신기술은 기존의 반도체 기술로는 어려웠던 수십 나노미 터의 미세 가공이 가능하며 우표 크기에 1테라 바이트의 기억용량을 가진 소자를 저 비용으로 생산할 수 있게 될 것이라고 말했다. 이 연구성과는 오는 27일부터 지바(千葉)에서 열리는 응용물리학회에서 발표될 예정이다. poliyoon@yna.co.kr

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