중장년층이 가장 두려워하는 질환 2가지를 꼽자면 급성심근경색과 치매를 들 수 있겠다. 급성심근경색은 심장으로 흐르는 혈관이 갑작스럽게 막혀 심장 근육이 손상을 입게 되는 질환으로, 초기 사망률이 30%에 달한다. 한편 알츠하이머병은 전체 치매 환자의 70%를 차지하는 대표적인 퇴행성 뇌질환으로 기억력을 비롯해 전체적인 인지기능과 신체 능력이 떨어진다. 두 질환 모두 증상이 심해지기 전까지 병을 진단하기가 어렵다. 병이 진행되며 발생하는 특정 단백질로 질환을 진단하는데, 발병 초기에는 해당 단백질이 혈액 내 극미량 존재하기 때문이다.

현재 대표적인 질환 진단법은 효소면역측정법^ELISA이다. 항원이나 항체를 결합한 후에 추가로 2차 항체, 효소, 형광 물질 등을 더해 결합 반응을 확인한다. 하지만 이 방법으로는 아주 적은 양의 단백질을 발견하는 데 한계가 있다. 한국표준과학연구원 책임연구원이었던 조현모 박사는 빛을 활용해 특정 물질을 감지하는 표면플라즈몬공명^SPR 센서를 개발하고 있었는데, 이 역시 몇 가지 한계점이 존재했다. 이에 조 박사는 기존 질환 진단 방법과 자신이 연구하던 센서의 단점을 모두 보완할 수 있는 새로운 진단 센서의 개발 필요성을 느꼈다.

진단업계에서는 트로포닌 I와 같은 특정 단백질을 바이오마커라고 부른다. 바이오마커가 발견될 때, 특정 질환을 진단하는 것이다. 한편 ‘몰^mole’이라는 단어는 화학반응을 연구할 때 쓰는 단위로, 아주 작은 입자들의 수를 뜻한다. 1몰은 6.022×10²³개의 입자를 포함한다. 쉽게 말해, 물 분자 1몰의 질량은 18g이다. 1피코몰p은 18g의 물을 1조 개로 나눈 양이다.
이를 종합해보면 ‘바이오마커 3종에 대해 1피코몰의 민감도로 측정할 수 있다는 것’은 눈에 보일까 말까 한 적은 양을 가지고 3가지의 특정 단백질을 찾아낼 수 있다는 말이다. 해당 결과는 바이오센서 분야의 저명 저널인 <바이오센서스 앤드 바이오일렉트로닉스^{Biosensors and Bioelectronics}>에 소개될 만큼 놀라운 성과였다.

얼마 지나지 않아 해당 연구를 위해 새롭게 합류했던 김동형 박사의 손에서 또 한 번의 성과가 탄생했다. 1pM보다 더 적은 양, 수십 펨토몰^fM에서 동일한 결과값이 도출되었다. 1fM은 18g의 물을 1000조 번 나눈 양이다. 현미경으로도 보기 어려운 적은 양으로도 급성심근경색을 진단할 수 있게 된 것이다. 이 역시 전 세계 연구자들의 이목을 끌 만큼 값진 결과였다.

같은 원리로 치매의 조기 진단도 가능하다. 연구팀의 초고감도 실시간 바이오센싱 장비는 혈액에 존재하는 알츠하이머의 원인 물질인 아밀로이드베타^Aβ와 타우단백질^{tau protein}의 세밀한 농도 변화를 측정할 수 있기 때문이다. 알츠하이머는 조기 발견 시 증상의 시작을 뒤로 미룰 수 있어 병의 진행을 늦추고 환자 삶의 질을 개선할 수 있다.

오늘날 글로벌 체외 진단 시장의 45.4%를 해외 진단 기업이 차지하고 있다. 특히 분자·면역 진단 시장은 해외 기업의 독점률이 더 높아 우리만의 원천기술 개발이 시급한 분야다. 이 가운데 조 박사 연구팀의 성과가 세계적으로 큰 이슈가 되었고, 이는 비슷한 연구를 진행 중인 국내 연구진에게 큰 힘이 될 것이다.

‘액침 실리콘 기반 광화학 다채널 바이오센서’는 그 이름처럼 여러 분야의 전문가들이 함께 힘을 합친 융합 연구의 결실이다. 빛의 특정한 움직임(편광)을 측정하기 위한 광측정 기술과 생화학 표면 센서 제작 기술, 생명공학 기술 등이 한데 어우러져 탄생했다. 조현모 박사가 반도체 나노 박막 편광측정 기술을 보유하고 있었고, 이번 연구를 위해 생명공학 전공의 김동형 박사가 합류했다. 나노종합기술원과 의료기기 중견기업 ㈜디엠에스도 참여했다.

전에 없던 새로운 기술이기에 참고할 만한 선행 연구가 있을 리 만무했다. 하나부터 열까지, 모든 단계에 수많은 시행착오를 거쳐야 했다. 펨토몰 이하의 아주 정밀한 측정이기에 측정 신호가 잡히지 않을 때면, 전체 과정을 되짚으며 문제를 해결했다. 그중 연구팀을 가장 괴롭힌 것은 바이오 시료였다. 보통의 시료라면 한 번에 여러 개를 만들어두고 필요할 때마다 가져다 쓰면 되는데, 실시간으로 변화하는 바이오 시료의 경우 미리 만들어둘 수가 없다. 따라서 측정을 할 때마다 새롭게 시료를 만들어야 했는데, 여기에 꼬박 한나절이 소요되었다. 실험을 위한 준비시간이 길어질수록, 실험에 대한 부담이 클 수밖에 없다. 바이오 시료의 높은 비용 역시 간과할 수 없었다.

조 박사는 “서로 다른 분야를 이해하고 필요한 기술을 개발하는 데 정말 많은 시간과 인내가 필요했다”며 “새로운 분야에 대한 도전 정신이 투철해야만 버틸 수 있다”고 융합연구의 어려움을 토로했다. 많은 연구자들이 지난한 과정을 오롯이 버텨냈기에 최신 기술이 세상에 소개되고 있음을 대변하는 말이기도 했다.

코로나19 팬데믹 당시 약국이나 편의점에서 판매했던 자가진단키트는 정확성이 부족했다. 그 때문에 감염 사실을 알지 못해 답답한 경우가 많았다. 물론 한국표준과학연구원의 성과가 우리 삶에 바로 적용될 수는 없다. 그럼에도 미래 건강을 지킬 수 있는 놀라운 진단 기술이 우리 사회 안에서 연구개발되고 있다는 점이 참으로 다행스럽다.