색깔 변화로 유해물질 감지 컬러센서, 전원도 필요 없어
자폐증 원인 유전자, 25년 추적관찰로 찾았다
[오피니언뉴스=김상혁 기자] 라이다(LiDAR)는 자율주행차 기술의 핵심 입니다. 빛을 통해 주변의 장애물을 감지하는 센서인데요. 이때 사용하는 빛은 '단파 적외선' 입니다. 사람이 볼 수 없기 때문에 시력을 보호할 수 있죠.
◆ 수천만원짜리 라이다 센서, 실리콘으로 가격 1/10 이하로
현재 라이다 센서는 '인듐갈륨비소(InGaAs)' 반도체를 사용합니다. 단파 적외선을 잘 감지하지만 라이다 센서 1대 만드는데 차 1대 값이 들 정도로 제작비가 비쌉니다.
값이 싼 실리콘 반도체는 다른 분야에서는 널리 쓰이지만 라이다에는 어렵습니다. 단파 적외선을 제대로 감지하지 못하기 때문입니다. 내부 구조 변형을 통해 단파 적외선 흡수율을 높이는 방법도 난해합니다. 실리콘이 유연하지 못해 변형이 조금만 가해져도 부셔지기 때문입니다.
그런데 국내 연구진이 이를 해결할 수 있는 실마리를 마련했습니다. 한국연구재단은 안종현 연세대 교수와 이재동 대구경북과학기술원(DGIST) 교수 공동 연구팀이 실리콘 반도체를 이용해 값싼 라이다 센서를 개발했다고 밝혔습니다.
연구팀은 실리콘을 10나노미터 이하 두께로 만들면 강한 변형에도 잘 견딜 수 있다는 것을 발견했습니다. 지난 10년 동안 1.5나노미터 초박막 실리콘 제작 등 관련 기술을 축적해온 연구팀은 실리콘 변형을 통해 새로운 라이다 센서 제작에 성공했습니다.
상용화에 성공하면 라이다 센서 제작 비용을 기존의 10분의 1 이하로 크게 낮출 수 있을 것으로 예상됩니다.
◆ 색깔 변화로 유해물질 바로 감지
색깔 변화로 유해물질을 순식간에 감지할 수 있는 센서가 등장했습니다. 작동을 위한 별다른 전원이 필요하지 않고 굉장히 직관적으로 차세대 유해환경 감지 센서로 기대받고 있습니다.
광주과학기술원(GIST)은 송영민 전기전자컴퓨터공학부 교수와 오진우 부산대학교 교수 공동 연구팀이 초고속 유해물질 감지를 위한 바이러스 기반 컬러센서를 개발했다고 밝혔습니다.
'M13 박테리오파지 바이러스'는 인체에 무해한 바이러스로 미국 식품의약국(FDA)의 승인을 받았습니다.
이 바이러스는 특정 대장균(E. coli)을 숙주로 삼아 유전자를 복제하여 개체를 늘리는 성질을 가지고 있습니다. 또 유해물질의 침투에 의해 팽창하고 나노구조체 사이의 간격이 넓어지는 특징도 있습니다. 이를 통해 표면 단백질에 다양한 화학 작용기를 발현시킬 수 있습니다.
연구팀은 바이러스 표면의 유전자를 변형시켰습니다. 그리고 다양한 휘발성 유기화합물 및 환경호르몬과 같은 각종 유해물질에 따른 바이러스의 반응성을 조절했습니다. 이를 통해 비슷한 형태를 가진 유해물질을 매우 낮은 농도에서도 구분하는 데 성공했습니다.
원래의 컬러센서도 색 변화로 유해물질을 손쉽게 관측할 수 있습니다. 하지만 발색을 구현하려면 구조가 복잡해지고, 감도와 속도에 불리하게 작용했습니다.
연구팀은 컬러센서의 실용 가능성을 높이기 위해 ㎠수준의 면적에 M13 박테리오파지 바이러스를 얇게 코팅했고, 기존보다 2.5배 빠른 110ms을 구현해냈습니다.
또 공진 증폭 기판 설계로 센서 플랫폼을 적용해 구조를 단순화 했습니다. 그리고 발색 구조의 공진 조건 디자인을 통해 평소에는 보이지 않는 센서를 제작, 특정 환경에서만 패턴을 드러나게해 유해물질의 직관적 관찰을 가능하게 만들었습니다.
송영민 교수는 "향후 보다 심층적인 유전자 조작 및 컬러센서용 플랫폼의 최적화를 통해 다양한 유해물질의 직관적이고 빠른 감지가 가능할 것으로 기대한다"고 말했습니다.
◆ 25년의 관찰, 자폐증 원인 찾았다
남자 아이들의 자폐증, 지적장애 등의 정신 질환은 여자 아이들보다 5배나 높습니다. 이는 X염색체에 있는 유전자들이 원인이라고 알려져있습니다 특히 발달장애, 지적장애를 동반하는 암필드 증후군은 남성에게서만 발병합니다.
그런데 국내 연구진이 자폐증을 일으키는 유전자를 발견했습니다. 이를 통해 조기 진단과 치료제 개발에 속도를 낼 수 있게 됐습니다.
한국연구재단은 김철희 충남대 교수 연구팀, 미국 그린우드유전학센터와 듀크대학메디컬센터, 노스웨스턴대학 등 국내외 공동 연구팀이 빅데이터 분석과 유전자 편집 기술을 통해 암필드 증후군(Armfield syndrome)의 원인 유전자를 규명했다고 밝혔습니다.
연구팀은 이 질병이 처음 보고된 1999년 이후 4세대에 걸쳐 가계도와 환자 유전체 빅데이터 분석을 통해 이상이 생기면 질환을 일으키는 원인 유전자로 '팸50A'를 발굴했습니다.
그리고 유전자 가위를 이용해 팸50A를 제거한 제브라 피시 녹아웃 동물모델을 제작했습니다. 이 물고기는 사람과 유전자 구성이 비슷해 동물모델로 사용됩니다.
그 결과 팸50A 유전자 기능이 제거된 제브라 피시는 단체 이동에서 빠지는 등 사회성이 결여된 모습을 보였습니다. 이는 자폐증의 특징입니다.
연구팀은 “전사체, 단백체 등 추가적 빅데이터 분석을 통해 질환 원인유전자의 작용원리를 분자수준에서 규명했다”며 “관련 질환의 조기 분자진단을 위한 바이오마커로서의 활용이 기대된다”고 말했습니다.
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