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[2681호] 2021.11.01
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[과학 연구의 최전선]실험실을 손톱만한 칩 안으로… 바이오메디컬공학자 조윤경 교수

울산= 최준석  선임기자 jschoi@chosun.com 2021-11-05 오전 8:31:16

photo 김종연 영상미디어 기자
조윤경 울산과학기술원(UNIST) 바이오메디컬공학과 교수는 2011년 미국 시애틀에서 열린 국제학회 기조강연자(plenary Speaker)로 초청받았다. 학회에서 기조강연은 통상 그 분야의 최고 대가들이 한다. 조 교수는 당시 UNIST 교수가 된 지 3년밖에 안 된 시점이어서 학계에서 큰 존재감이 없다고 생각했다. 기조강연 발표자로 초청받은 건 명예였다. 조 교수는 발표를 전후해서 초청자에게 물었다. “나는 그간 삼성(종합기술원)에 있었다. ‘사이언스’나 ‘네이처’급 학술지에 논문을 쓴 적이 없다. 그런데 어떻게 알고 초청했느냐?” 그는 “진정한 랩온어칩(Lab-on-a-chip)을 만든 사람이 당신 아니냐”라고 말했다.
   
   랩온어칩은 조윤경 교수 연구의 키워드로, ‘칩 위에 실험실’이라는 뜻이다. 인터넷 백과사전 위키피디아는 ‘랩온어칩’에 대해 이런 식으로 설명한다. ‘랩온어칩은 손톱만 한 크기의 칩을 통해 실험실에서 할 수 있는 연구를 가능케 하는 장치다. 초미세회로의 반도체 기술과 나노 기술, 생명공학 기술이 집적된 바이오(bio)칩이다. 극미량의 시료나 샘플만으로도 생화학 정보를 빨리 얻어낼 수 있어 의학, 생명공학, 환경 분야에서 차세대 진단 및 분석 장치로 개발되고 있다.’
   
   
   ‘자랑스런 삼성인상’ 기술상 본상 수상
   
   조 교수가 초청받은 학회는 ‘마이크로 TAS(micro Total Analysis Systems)’다. 마이크로 TAS는 미세유체제어기술(microfluidics), 랩온어칩 기술을 토대로 화학 및 생명과학 분야 응용에 관한 연구를 주제로 하는 국제학회이다. 조 교수는 “내가 지금도 가장 많이 가는 학회다. 연례학회 때는 1000여편 논문이 발표된다”라고 말했다.
   
   조 교수의 당시 발표 주제는 ‘원심 미세유체공학(Centrifugal Microfluidics)’이었다. 미세유체공학은 랩온어칩의 설계와 작동에 필요한 기술이다. 반도체칩이 대단히 작은 미세실리콘회로로 되어 있다면, 바이오용 랩온어칩에는 미세유체 회로가 들어가 있다. 혈액과 같은 액체를 흘려보낼 때 그 유체가 통과하는 관의 직경이 마이크로미터 단위이면, 그런 유체를 ‘미세유체’라고 한다. 조 교수 발표 제목 속의 ‘원심 미세유체공학’에는 원심력을 이용하는 미세유체공학이라는 뜻이 담겨 있다.
   
   조 교수는 발표에서 “한국에는 훌륭한 여성이 많은데, 특히 회전을 잘하는 두 명을 소개한다”라며 당시 인기 절정의 피겨스케이터 김연아의 동영상과 함께 회전하는 자신의 랩온어칩을 보여줬다. 학회 참석자들은 열광하였다. 원심력은 회전할 때 원의 안쪽에서 바깥으로 작용하는 힘이다. 그는 삼성에서 뭘 했기에 교수가 된 뒤 3년 만에 국제학회에서 ‘원심 미세유체공학’이라는 제목으로 기조강연을 할 수 있었을까?
   
   조 교수는 울산과학기술원에서 일하기 전 약 9년간 삼성종합기술원에서 일했다. 1999년 6월부터 2008년까지 일하면서 2004년과 2008년 자랑스런 삼성인상 기술상을 두 차례 받았다. 첫 번째 상은 ‘세계 최고 속도의 유전자 증폭기(PCR)’ 개발 공로로, 두 번째 상은 ‘디스크를 이용한 혈액검사기’를 개발한 공로로 받았다.〈그림 1〉
   
   PCR은 DNA(디옥시리보핵산) 염기서열을 읽기 위해 필요한 장비다. DNA의 염기서열 중 원하는 부분을 복제해서 똑같은 걸 많이 만들어낸다. 조 교수는 “PCR을 실리콘 칩으로 만들었다. 실리콘이 열전도율이 좋아 PCR 결과를 다른 장비보다 매우 빠르고 정확하게 얻을 수 있었다”라고 말했다. 당시 삼성테크윈에서 제품을 상용화했고 외식업을 하는 삼성에버푸드가 식재료가 세균으로 오염되었는지를 빨리 알아낼 수 있다고 기대했다.
   
   두 번째 ‘소형 혈액검사기’는, 삼성전자가 의료기기 사업에 진출해 내놓은 첫 번째 제품 개발에 사용된 기술이다. 조 교수가 포함된 삼성종기원 팀은 음악 CD 크기의 플라스틱 디스크에 소량의 혈액을 주입하고 혈액검사기에 삽입하면 12분 이내에 중성지방, 콜레스테롤, 간 수치 등 10여개 검사항목을 동시에 검사할 수 있게 했다. 조 교수가 연구실 안에 갖고 있는 걸 보여주는데 흰색 투명한 플라스틱으로 되어 있고, 그 안에 이런저런 미세유체가 통과하는 회로가 보인다. 손톱만 한 ‘칩’ 크기가 아니라 ‘디스크’ 크기다. 이 장치는 ‘랩온어디스크(Lab-on-a-Disc)’라고 부른다.
   
   
▲ 〈그림 1〉 삼성종합기술원 시절에 만든 혈액검사기.

   복잡한 혈액검사를 작은 장비로 해결
   
   그가 보여주는 동영상을 보니 실감난다. ‘랩온어디스크’ 가운데에 혈액(whole blood)을 집어넣은 후 구동기에 넣고 회전시키면 원심력에 의해 혈청과 혈구(적혈구·백혈구)가 위아래로 분리된다. 연구자에게 필요한 건 분리된 혈청이다. 투명한 혈청에 사람의 건강 관련 정보가 들어 있다. 디스크의 가장자리 쪽에는 조그만 방들이 만들어져 있고, 이들 방에는 각각 서로 다른 시약이 들어 있다. 원심력에 의해 혈청이 각각의 칸으로 흘러들어간다. 이제 남은 일은 혈청이 각각의 방에 들어 있는 물질과 어떻게 반응하는지를 보면 된다. 빛깔 정보로 우리가 원하는 혈액검사 정보를 확인할 수 있다. 대형 병원에 가야만 할 수 있는 복잡한 혈액검사를 이 작은 장비에서 전자동으로 할 수 있다니 너무 간단하다.
   
   기술의 핵심은 무엇일까? 조 교수 말을 들어본다. “칩에 미세유로를 설계하는 공학 기술은 나와 있었다. 2011년 시애틀 학회에서 나와 함께 기조강연을 한 스티븐 퀘이크(Stephen Quake·미국 스탠퍼드대학) 교수가 그런 일을 한 사람 중 한 명이다. 랩온어칩은 일반적으로 펌프를 사용하여 유체흐름을 제어하는데, 이에 어려움이 있었다. 우리는 펌프가 아니라 원심력에 주목했다.”
   
   연구 결과는 2017년에 학술지 ‘랩온어칩’에 두 편의 시리즈 논문으로 발표했다. 학술지 이름이 연구 분야(lab-on-a-chip) 이름과 똑같다. 첫 번째 논문은 레이저를 이용한 밸브제어 관련 논문이었고, 두 번째 논문은 혈액주입만으로 바이러스를 농축하고 유전자를 추출하는 전 과정을 자동화한 기술을 담았다. UNIST에 온 뒤 삼성에서 연구한 내용을 기초로 2009년에 발표한 논문은 혈액 내 단백질 분석을 전자동화한 기술을 담았고, 2011년 논문은 혈액주입만으로 생화학과 효소결합면역흡착검사라는 서로 다른 분석을 하나의 칩에서 전자동으로 할 수 있다는 것을 보였다. 조윤경 교수는 지금은 이 학술지의 에디터 중 한 명이다.
   
   당시 조 교수는 ‘삼성 바이오’ 사업의 시작점에 있었다. 그의 말을 들어보자. “1999년 기흥의 삼성종기원에 들어갔을 때는 단 3명이었는데, 2008년 삼성을 떠날 때는 100여명 이상의 큰 조직으로 성장했다. 처음 아이디어를 구현하는 연구개발 단계에서는 밤낮으로 일하면서도 즐거웠다. 하지만 동일한 업무를 반복해야 하는 제품화 단계의 일은 개인적으로 더 이상 흥미롭지 않았다. 결국 삼성을 떠나게 되었다.”
   
   그즈음 해서 고향인 울산에 울산과학기술원이 생겼다. 교수 모집에 지원하라는 제안을 받고 2008년 5월 울산공항 근처 사무실에서 초대 총장인 조무제 박사를 만났다. 당시 학교는 건물도 없이 터를 닦는 공사 중이었다. 조무제 총장은 세계적 수준의 연구중심 대학을 만들 것이라며 영어 강의 100%, 장학금 100%, 기숙사 100% 제공 등 구체적인 비전을 제시하면서 같이 일하자고 권유했다. 조윤경 교수는 UNIST에 교번 6번으로 합류했다. 조무제 전 총장은 추진력으로 유명한 인물. 그는 조윤경 교수에게 첫 임무로 “WCU(세계 수준의 연구중심 대학 육성 사업) 프로그램을 준비해야 한다”라고 말했다. WCU는 세계적인 석학을 초빙하여 1년에 4개월 이상 한국에 체류하면서 협력연구를 하는 프로그램이었다.
   
   조 교수는 “사업을 따내려면 발표를 잘해야 한다고 해서, 총장님 앞에서 예행 연습을 하기도 했다”라며 웃었다. UNIST의 경우 최대 연 7억원을 받을 수 있었고, 이는 한 명의 해외 학자를 초빙할 수 있는 규모의 재원이었다. 조 교수가 ‘랩온어칩’ 분야의 대가들에게 이메일을 돌렸더니, 3명의 석학이 오겠다고 했다. 조무제 총장은 그 얘기를 전해듣고 “세 사람 다 초청하라. 필요한 돈은 마련해 보겠다”라고 했다. 그 세 사람이 미국 캘리포니아대학(어바인 소재)의 마크 마두 교수, 미시간대학의 다카야마 슈이치 교수, 캔자스대학의 스티븐 소퍼 교수다. 정부는 한 사람 비용만 지원했으나, 학교가 도와주면서 세 사람을 모두 초청할 수 있게 되었다.
   
   조 교수 연구실은 울산과학기술원 103동 3층에 있고 실험실은 1층에 있다. 실험실에 들어가니 입구 한쪽 벽에 세계지도가 붙어 있고, 다양한 국가에서 온 연구자들의 얼굴 사진이 지도에 붙어 있다. 위에서 말한 3명의 미국 교수들 사진도 보인다. 조 교수는 “WCU 프로그램이 신생 랩이었던 나의 실험실 분위기를 완전히 바꿔놓았다. 대단히 성공적이었다”라고 말했다. 미국에서 온 동료 교수들은 혼자 오지 않고, 박사과정 말년 차 학생이나 박사후연구원을 한두 명씩 데리고 왔다. 랩의 수준이 단 기간에 높아졌다. 조 교수 역시 UNIST 소속 학부생들을 미국 대학에 보내서 연구 경험을 쌓도록 하였다. 외국에 다녀온 학생들은 자신감을 갖게 되었고, UNIST의 연구 환경이 세계 최고 수준임을 깨닫고 동대학원에 진학하고 싶어 하였다. 조 교수는 “우리 랩은 처음부터 영어를 기본언어로 사용하고 있다”라고 말했다. 조 교수 랩은 ‘WCU 사업 최우수 시행 랩’으로 선정되어 상을 받기도 했고, WCU 사업이 끝난 이후에도 해외 석학 연구실과 학생 교류 및 협력 연구를 이어가고 있다.
   
   
   조무제 총장의 권유로 UNIST 합류
   
   2011년 조무제 총장이 그에게 또 다른 임무를 부여했다. IBS(기초과학연구원) 연구단을 유치해야 한다고 했다. 한국의 내로라하는 대학은 IBS 연구단을 캠퍼스에 유치하기 위해 당시 대단한 경쟁을 벌였다. 조윤경 교수는 미국 일리노이대학(어배너섐페인 소재) 유학 시절 박사과정 지도교수인 스티브 그래닉 교수에게 자문을 구했다. IBS 연구단을 설명하고 단장 후보를 추천해달라고 했더니 그래닉 교수가 “나는 어떠냐”라고 말했다. 조 교수는 깜짝 놀라 “왜요?”라고 물었다. 그래닉 교수는 일리노이대학교 재료과학과 석좌교수이며 연구 환경도 풍족하고 그 자리를 떠날 이유가 없었다. 그래닉 교수는 “왜 안 되지?”라고 반문했다. 조무제 총장이 직접 그래닉 교수를 만나러 미국에 갔고, 결국 스티브 그래닉 교수는 2012년 연구단장으로 선정되어 2014년 1월부터 ‘IBS 첨단연성물질연구단’을 이끌게 되었다.
   
   그래닉 교수 방은 조윤경 교수 방과 같은 층에 있다. ‘첨단연성물질연구단’에 그룹리더로 있는 다른 연구자는 바르토슈 그쥐보프스키(폴란드)와 츠비 틀루스티(이스라엘) 등인데 조 교수는 이들을 “천재들”이라고 표현했다. 미국 노스웨스턴과 프린스턴 대학에서 남부러울 것 없는 환경에서 일하다가 울산의 연구 여건이 좋아서 온 사람들이라고 했다. 결국 2015년 말 조 교수도 ‘첨단연성물질연구단’의 그룹리더로 합류했다. 그가 이끄는 그룹은 새로운 미세유체칩을 활용하여 세포 간 신호 교신을 연구한다. 조 교수는 “스티브가 내게 합류하라고 처음부터 얘기했지만 여러 번 마다했다. 내가 박사 때 했던 연구와 지금 하는 연구는 많이 달라졌기 때문이다. 하지만 지금은 합류하길 잘했다고 생각한다. 아주 새로운 분야로 연구가 확대되고 있다”라고 말했다.
   
   조윤경 교수는 포항공대 화학공학과 88학번(2기)이다. 대학원 석사까지를 이건홍 교수 지도를 받아 마쳤고, 미국 일리노이대학(어배너섐페인) 재료과로 유학을 갔다. 결혼하기로 한 88학번 동기인 남자친구가 일리노이대학에 먼저 가 있었기에 이 대학을 지원하기로 했고, ‘화학공학’이 아닌 ‘재료과학’ 박사과정을 택한 건 그해 일리노이대학 화학공학과에서 외국인 학생에게 입학지원서를 보내주지 않았기 때문이다. 그래서 비교적 비슷한 재료과학과를 선택했고, 현지에 가서 스티브 그래닉 교수를 만나 그의 실험실에 들어갔다. 1994년에 유학을 떠나 5년 만인 1999년에 박사학위를 받았다. 분자 간 힘을 재는 장비(Surfaces Forces Apparatus·SFA)를 활용하여 나노-유변학(nano-rheology)을 공부했다. 조 교수는 “나노 크기 공간에 가둬진 고분자의 점탄성(viscoelastic property)을 측정하는 장비를 개발하고 그 장비를 갖고 실험했다”라고 말했다. 점성은 물체가 외부 힘에 의해 형태가 바뀔 때 생기는 내부 저항을 말하고, 탄성은 변형되면 원래대로 돌아가려는 힘을 가리킨다. 조 교수는 “삼성종기원 9년이 엔지니어링 시절이라면, 박사과정 때는 사이언스를 경험한 시절”이라고 말했다.
   
   
▲ 〈그림 2〉 소변으로 박테리아 감염 여부를 손쉽게 확인할 수 있는 피젯스피너 기반의 진단기기 개념도와 실제 모델.

   “사이언스와 엔지니어링 둘 다 좋아해”
   
   조 교수는 “나는 사이언스와 엔지니어링을 둘 다 좋아한다. 공학도로 시작했기에 실용적인 것에 관심이 많다. 사이언스를 하면 아예 새로운 것을 찾고, 엔지니어링을 하면 실제로 쓸모가 있는 것을 찾는다”라고 말했다. 그는 이어 “양쪽을 다하기 때문에 나의 정체성을 뭐라고 해야 할지 모르겠다. 요즘은 융복합 시대이고, 학문 간 경계가 없다”라는 식으로 말했다.
   
   그가 UNIST에서 하는 연구는 3개로 말할 수 있다. △삼성 시절부터 계속해온 ‘랩온어디스크’ 연구, △암 진단을 간편하게 하기 위한 ‘액체 생검(liquid biopsy)’ 연구, 그리고 △엑소좀을 통한 세포 간 대화 연구다.
   
   액체 생검은 WCU 프로그램으로 UNIST에 왔던 소퍼 교수와의 협력 연구가 계기가 됐다. 소퍼 교수는 체내 혈액에 떠다니는 CTC(Circulating Tumor Cell·혈액순환 암세포)를 미세유체칩을 이용하여 분리하려고 했다. 통상 암을 진단하는 데는 조직검사가 필수적이나 연구자들은 액체, 즉 혈액이나 소변검사로 비교적 간단하게 암을 진단하고 질병의 진행 정도를 모니터링하고자 하는 ‘액체 생검’에 도전하고 있다. 소퍼 교수는 당시 암세포 표면의 특정 단백질을 ‘바이오 마커’로 해서 CTC를 분리하려고 했다.
   
   이걸 보고 조 교수는 시간이 오래 걸리고 특정 종류의 암세포만 잡을 수 있는 ‘바이오 마커’ 대신에, 암세포가 다른 혈액 세포보다 크기가 크다는 점에 착안하여 크기 차이로 암세포를 분리하자는 아이디어를 떠올렸다. 마중물 원리를 ‘랩온어디스크’ 기술에 이용한 FAST(Fluid Assisted Separation Technology) 기술을 개발했다. 혈액을 전(前)처리 없이 사용하고도 매우 빠르고 고효율적으로 CTC를 분리하는 데 성공하고 연구결과를 2017년 학술지 ‘분석화학(Analytical Chemistry)’에 보고했다. 이 연구는 2019년 국가연구개발 우수성과 100선에 선정되기도 했다. 이 기술을 플랫폼 기술로 하여, 나노 크기의 입자인 엑소좀(Exosome)을 분리하는 데 성공했다. 연구 결과는 2017년 학술지 ‘ACS 나노(Nano)’에 나갔고 상용화도 하였다. 또 2020년에는 전기가 없는 오지에서도 간단한 조작으로 소변에서 박테리아를 분리 검출할 수 있는 피젯스피너 기반의 진단기기를 개발했다. 이 연구는 학술지 ‘네이처 바이오메디컬 엔지니어링(Nature Biomedical Engineering)’에 논문으로 출판됐다.〈그림 2〉
   
   그는 2016년부터 ‘엑소좀’ 연구에 빠져 있다. 엑소좀은 세포가 밖으로 내보내는 물질들의 통칭이다. 처음에는 소변을 활용한 암 진단용으로 엑소좀에 관심을 갖기 시작했으나, 엑소좀이 세포 간 의사 소통에 중요하다는 걸 알게 되었다. 조 교수는 “엑소좀에 공학을 도입해서 뭔가를 붙이고 넣으면 활용 가능성이 무궁무진하다”라고 말했다. 오후 6시가 넘었다. 오후 2시에 만났으니, 그간 짧지 않은 이야기를 들었다. 그는 대단한 에너지를 보였고 또 실행력을 갖고 있다고 생각했다.
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검은 호랑이의 해 정장열 편집장

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