[과학산책] 박제균 교수

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MicroTAS(micro Total Analysis Systems)는 microelectromechanical systems (MEMS) 또는 microsystems technology (MST)의 발전에 따라 화학, 의약, 의료, 생명과학, 환경 등 여러 분야에서 화학 및 생물 시약의 이송, 분리, 반응, 분석, 정량 등을 위한 종합 시스템으로 연구 및 기술개발 활동이 활발히 전개되고 있는 주요기술 분야입니다. 이번 달에는 MicroTAS 분야의 권위자이신 박제균 교수님과 인터뷰를 진행하였습니다.

Q1. 안녕하십니까 교수님 인터뷰를 허락해주셔서 감사합니다. 많은 사람들이 MicroTAS에 대한 연구를 진행하고 있는데 MicroTAS가 추구하고 있는 방향과 현재 Trend에 대해 설명 부탁드립니다.

초기 MicroTAS의 경우 기존의 sensor가 하지못하는 전처리나 후처리와 관련된 component만을 개발하는데 집중을 하였습니다. 예를 들어 sample을 어떻게 delivery, filtering, separation 할 것 인가와 같은 각 component 대한 연구가 주를 이루었습니다. 현재는 연구 Trend는MicroTAS를 이용한 전체시스템을 구성하는데 집중을 하고 있습니다. 이런 방식을 Sample in and Out이라고 하고sample이 입력이 되면 전처리부터 시작해서 sensor, 후처리를 해서 최종적인 결과가 나오는 방향으로 연구를 진행을 하고 있습니다.

현재 많이 개발되고 있는 예로는 휴대폰 device를 이용한 interface를 개발하는 것입니다. 이전의 device의 경우sample을 가지고 Yes or No를 결정하는 문제만 해결하는데 목표를 두었습니다. 하지만 현재 집중하고 있는 문제들은 어떻게 하면 clinical에서 사용할 수 있게 sample들을 가지고 수치화를 시켜서 환자나 사람들의 상태를 monitoring하는 것인가에 집중을 하고 있습니다. 이러한 수치화를 하기 위해서는 전자 디바이스가 필요하기에 휴대폰과 연동을 시켜서 monitoring하는 system을 개발하는 방향으로도 많은 연구가 이루어 지고 있습니다.

Q2. MicroTAS가 만약 우리 실생활에 적용이 된다면 미래는 어떻게 바뀔 수 있을까요?

미래에 MicroTAS에 의해 바뀔 수 있는 점은 분석 시스템을 손안에 들고 다닐 수 있다는 것입니다. 예를 들어 지속적으로 monitoring이 필요한 감염성 바이러스의 감염여부나 식중독 진단 등에 대해 스스로 monitoring을 가능하게 만들어 줄 수 있을 것입니다. Health care측면외에도 좀 더 확장을 해서 생각을 해본다면 sensor와 여러 device들을 연동시켜서 매일 아침 자신의 상태를 체크해서 알려주는 Smart mirror system이나 용변을 이용해서 자신의 건강을 체크해주고 조기 진단을 해주는 시스템 등 주거환경에 있어서도 커다란 변화를 가져올 것이라 예상합니다. 앞서 언급한 system들이 실현되기 위해서는 기술적인 측면 이외에도 병원과의 연계, 관련 시장 등 여러가지 요인들이 맞아야 실현이 될 수 있습니다.

Monitoring의 측면 외에도 Bigdata가 중요한 현대에 있어서 MicroTAS는 긴 시간 동안 data들을 수집하면서 추가적인 data들을 공급하는데 있어서도 사용될 것입니다. MicroTAS를 이용한 in vitro system의 경우 실제 사람들의 상태를 살피기 힘든 우주에서 사람이 받는 영향들을 실험해 볼 수 있는 등 기존에 없는 Tool로서 다양한 분야에 사용될 수 있습니다.

Q3. 해당 분야를 연구하기 위해 기반이 되는 지식과 자세가 있을까요?

Method적인 관점에서는 기계공학적인 지식과 전기공학적, 생물공학, biological components들을 활용할 수 있는 지식들이 필요합니다. 해당 분야들을 맞춰서 공부를 해가는 것보다 자신이 잘하는 분야를 찾아서 어떤 방식으로 MicroTAS분야에 사용할 수 있을 지 찾아내는 것이 더욱 중요합니다. 예를 들어 앞서 언급한 분야와는 다르게 자신이 계산에 능통할 경우 Device를 최적화 modeling을 설계해 최적화에 들이는 시간과 비용감소를 시킬 수 있는 연구를 진행할 수도 있습니다.

MicroTAS라는 분야가 다른 분야에 비해 그렇게 긴 역사를 가지고 있지 않지만 성장할 수 있었던 원동력은 여러 분야의 사람들이 협업을 통해 이루어 낼 수 있었습니다. 또한 MicroTAS분야를 하지 않던 사람이더라도 자신이 연구하던 분야를 가지고 응용을 해서 적용을 할 수 있는 부분이 많았기 때문에 다양한 분야의 사람들이 연구를 MicroTAS 연구를 진행하고 발전할 수 있었습니다. 모든 것을 혼자 다 배우고 진행하겠다는 욕심을 버려야합니다. 기본적인 자신의 실력을 가지고 이외의 부분들은 다른 분야의 전문가들과 협업을 해서 시너지 효과를 내 문제를 해결하려는 자세를 가지는 것이 중요합니다.

Q4. Micro TAS의 한분야인 Organ on chip에 관한 간략한 설명과 이 분야가 나오게 된 계기에 대해 설명 부탁드립니다.

Organ on a chip은 Lab on a chip에서 유래한 것입니다. 예전에는 어떤 제품을 개발하는데 있어서 제품을 만든 후 사용자를 찾아도 상품을 판매하는 것이 가능하였습니다. 하지만 현대에 들어서는 특정분야 그리고 특정 유저를 위해서 제품을 만들어 내야하고 이를 killer application이라고 합니다. Lab on a chip의 application 중 하나가 Organ on a chip이라고 볼 수 있습니다. 기존의 animal을 이용한 실험은 system적인 측면에서 볼 때는 연구하기 좋지만 human이 아니기 때문에 나온 결과를 바로 사람한테 적용을 할 수 없다는 것이 문제였습니다. 반면 In vitro환경에서 human cell을 사용해서 실험을 진행하는 경우 실제 생명체가 가지는 system을 반영하지 못한다는 한계가 존재했습니다. Organ on a chip은 human cell를 이용하면서 In vivo환경을 구성해서 organ의 특정한 function을 따라함으로써 이전까지의 한계점들을 극복할 수 있는 tool로 제시되었습니다. Organ on a chip을 이용해서 animal 실험보다는 사람과 직접적인 관련성이 있는 결과를 얻을 수 있다는 점이 가장 큰 장점입니다.

Q5. Organ on a chip을 연구하는데 있어서 기존의 Cell을 배양해 연구를 하는 것과 차이점 그리고 이 분야의 가장 큰 어려움에는 어떤 것들이 있나요?

기존의 cell 배양의 경우 많은 사람들이 계량을 통해서 잘 자랄 수 있도록 만들어 놓아서 어느 누구라도 세포를 잘 배양시킬 수 있습니다. 하지만 Organ on a chip에 사용하는 stem cell이나 추출한 세포를 이용해서 배양을 시킬 경우 배양이 잘 안된다는 것이 가장 큰 문제점입니다. 많은 사람들이 어떻게 하면 실제 사람 장기 내부의 환경과 비슷하게 만들어서 cell이 잘 자랄 수 있게 만들지에 대한 연구를 진행하고 있습니다.

Q6. Organ on a chip이 현재 어느정도 단계까지 실용화가 되어 있나요?

Organ on a chip은 현재까지는 병원에서 실험을 하고 있는 단계이고 관련된 여러가지 Startup 회사들이 존재하기는 하지만 아직까지 시장에서 chip을 판매하는 단계는 아닙니다. 병원에서 연구하는 예를 들어보면 Organ on a chip을 사용한 자궁 칩이 있습니다. 실제 여성 자궁의 function을 만든 후 산부인과 의사들이 참여해서 연구 진행을 하고 있습니다. 실제 사람의 wample을 채취해서 연구하는 것이기에 현재까지는 병원에서 연구목적으로 진행하는 정도만 사용하고 있습니다.

회사제품으로는 연구하는 제품으로는 여러 organ on a chip들을 합쳐서 만들려는 시도를 많이 하고 있습니다. 다양한 chip들을 합친 device의 경우 단일 Organ에서 확인이 불가능한 상호작용을 볼 수 있습니다. 예를 들어 간과 콩팥의 chip을 연결해서 간만 손상을 시켰을 경우 콩팥에 어떠한 영향을 주는지에 대해 살펴볼 수 있습니다. 현재까지의 대부분의 회사들은 prototype image정도만 존재하고 있습니다.

조재욱 기자(jjo2883@kaist.ac.kr)