전기정보공학부:생체전기정보공학

안녕하세요! 전기정보공학부 19학번으로 재학 중인 공우 15기 황진우입니다. 현대사회에서는 일론 머스크의 뉴럴링크, 각종 의수나 사람이 착용하는 군용/산업용 로봇 등 다양한 크기와 용도의 장치들이 이제는 익숙합니다. 이런 장치들이 생겨날 수 있는 배경이 되는 생체전기정보공학에 관심을 갖고 있지만 입문을 어떻게 할지 모르겠는 분들을 위해서 전기정보공학부의 생체전기정보공학에 대해서 설명해드리도록 하겠습니다.

1. 과목에서 배울 수 있는 내용

1.1 과목의 전반적인 개요

생체전기정보공학은 생체계측과 더불어 전기정보공학부의 몇 안 되는 생물 관련 과목입니다. 생체전기정보공학 분야에는 아직 해결되지 않은 많은 문제가 있어서 생명 공학(BT)과 정보통신기술(ICT)의 접점에 놓인 연구 기회가 굉장히 많습니다. 이 과목은 기본적인 생물학적 지식과 그동안 이 분야에서 제약/센서/디바이스/관측장비 등에 있었던 혁신을 전반적으로 다루면서 이 분야에 대한 개론으로 작용합니다.

1.2 키워드 별 개념 설명 

생체전기정보공학에서 인체에 적용될 기술 (예를 들면 진단키트)를 만들기 위해서는 인체 내부의 기작을 이해하고, 이를 들여다볼 수 있는 지표들을 알아야 합니다. 그런 지표를 바이오마커 (biomarker)라고 합니다. 예를 들어서, 간암을 진단하기 위한 진단키트를 만들고 있다고 생각해 봅시다. 가장 먼저 간암 환자와 건강한 피험자가 있는 cohort를 구성해서 간암이 발생하는 기작을 연구하고, 그 결과로 건강한 사람한테 없는 특정 수용체나 물질이 있거나 그 수량이 달라지는 등의 관측 가능한 현상을 파악하게 됩니다. 이 중에서 재현 가능한 미시 스케일의 현상, 혹은 인간의 몸 외부에서 관찰 및 정량화할 수 있는 증상이 바이오마커에 해당합니다. 유전자 수준(유전체학), 세포 수준(세포학), 단백질 수준(단백질체학) 등 다양한 수준의 바이오마커가 있는데, 아래에서 더 알아보겠습니다. 

유전체학(genomics)과 세포학(cellomics)의 연구는 위에서 이야기한 바이오마커 연구에서 굉장히 중요한 역할을 수행합니다. 이 연구는 DNA가 RNA로 전사되고 단백질로 번역되는 Central Dogma와 DNA 복제를 포함하는데요. 이 과정에서 생겨난 대표적인 기술로는 빠른 DNA 복제를 위한 PCR, 정밀한 DNA 증폭을 위한 qPCR, 에멀션 PCR, ddPCR과 같은 새로운 방법론, DNA 분석을 위한 생거 염기서열 분석(Sanger sequencing)이 있습니다. 이 중에서 qPCR (quantitative PCR)는 특정 DNA 서열에 결합할 수 있는 상보적인 분자의 형광 특성을 이용해서 해당 서열의 양을 정량 분석할 수 있습니다. 분자가 DNA에 결합하면 형광이 활성화되고, 떨어져 있으면 비활성화되도록 하거나 형광을 억제하는 경쟁적 분자를 사용하는 등 다양한 방식이 있습니다.

엄청나게 작은 격자 상에 직접 제작한 DNA/RNA 서열들이 배열되어 있는 마이크로어레이 (microarray) 기술은 특정 DNA/RNA 서열을 식별하는 데 사용됩니다. 

qPCR의 대표 기작을 설명하는 도식 [2]

과거에 사용했던 염색체를 사진 찍어서 보는 핵형 분석 (karyotyping) 대신 DNA 내의 특정 서열까지 찾을 수 있을 정도로 해상도가 높은 기술들이 굉장히 많아진 것입니다.

핵형 분석을 설명하는 도식 [1]

 

전사체학(transcriptomics)은 단백질 코딩 영역에 중요한 비용 효율적인 전체 엑솜 시퀀싱(WES)에 중점을 두고 있습니다. DNA는 단백질 구조를 담고 있는 exon과 RNA를 만드는 전사 과정을 돕는 기능을 하여 나중에 제거되는 intron으로 구성되기 때문에, 전사된 RNA를 살필 떄는 exon만 봐도 충분합니다. RNA 상에서의 돌연변이는 잘못된 단백질 등의 추가적인 돌연변이 및 종양 같은 결과로 이어질 수 있기에 전사체의 연구도 굉장히 중요합니다. 지금까지 이야기한 RNA는 주로 mRNA (messenger RNA)에 해당하는데, 또 다른 RNA인 miRNA (micro RNA)는 mRNA에 결합해서 단백질 번역을 억제하거나 RNA 분해를 촉진하여 유전자의 발현을 제어하는 중요한 RNA입니다. 그렇기에 약물 개발과 유전자 편집 등 다양한 분야에서 중요한 역할을 합니다. 

단백질체학(proteomics)에서는 tRNA, 아미노산, 그리고 이온 교환, 크기 배제, 친화성 크로마토그래피와 같은 정제 방법에 대한 이해가 필수적입니다. 단백질 분석 기술로는 단백질 칩, 질량 분석법, SPR 센서 칩, X선 결정학, NMR 분광법이 있습니다.

단벡질체학 (proteomics)는 유전체를 전사해서 만들어지는 단백질들을 분석하는 분야로, 단백질의 구조나 양 등을 주로 봅니다. 가령, 광우병의 원인이 잘못 접힌 prion 단백질 때문인데, 이런 건 단백질체학 수준의 바이오마커라고 볼 수 있습니다. 전통적으로 웨스턴 블롯 (Western Blot)이 사용되었지만, 이 방법은 겔 전기영동 (gel electrophoresis)이 필요합니다.

웨스턴 블롯을 설명하는 도식 [3]

현재 더 많이 사용되는 방법으로는 ELISA (Enzyme Linked Immunosorbent asSAy)가 있으며, 이는 특정 단백질과 결합하는 효소를 이용한 효소-기질 반응을 일으키고, 반응한 양에 따라 다양한 수준의 색 변화가 일어납니다. 다만, 어느 정도 색깔이 났을 때 어느 정도 양의 단백질이 존재하는지 상관 관계를 정립하기 위해서 표준 곡선 (standard curve)을 설정해야 합니다. 96개 이상의 수많은 웰이 필요하고, 한 번에 여러 타겟 단백질을 처리하는 다중화 (multiplexing)에 대한 지원이 부족하여 면역측정법, 비드 기반 ELISA 등이 인기를 끌고 있습니다.

ELISA의 다양한 방식을 설명하는 도식 [4]

세포학 (cellomics)는 다시 한 단계 위로 올라와서 세포를 분석하는 분야를 지칭합니다. 세포 수준에서는 FACS (Fluorescence Activated Cell Sorter)가 대표적인데, 이는 세포에 전하를 부여해서 전기장을 걸어주면 휘는 방향과 정도가 달라지는 점을 활용한 세포 분류 방법입니다. 철분 같은 자성입자과 전기장 대신 자기장을 사용해서 FACS와 유사하게 세포를 분류하는 방법론인 MACS (Magnetic Associated Cell Separation)도 있습니다. 이외에도 화학 시간에 접해봤을 질량 분광법 (mass spectroscopy)도 세포 분석에 사용할 수 있습니다. 대표적 방법으로는 세포를 급속하게 증발시켜서 유기물을 날리고, 남은 무기물들을 질량 분광기에 돌리는 cyTOF (cytometry by time of flight)가 있습니다.

추가적으로 이 파트에서 광학 현미경법, 형광 현미경법, 위상차 현미경법, 공초점 레이저 스캐닝 현미경법과 같은 방법을 사용하여 세포를 관찰하는 원리도 다루게 됩니다. 더 좋은 분해능을 달성하기 위해서 단순하게 가시광선을 사용하는 형광 현미경에서 시작해서 빛을 다른 매질을 통과시켜 발생시킨 위상차를 이용한 위상차 현미경, 최종적으로는 레이저나 양자 스케일의 광자 인터랙션을 이용한 방법까지 진화한 과정을 이해할 수 있습니다.

나노생명공학과 바이오MEMS (BioMEMS)에서는 반도체 관련 과목을 수강한 학생에게는 좀 더 익숙할 수 있는 MEMS (micro-electromechanical system)를 비롯한 마이크로/나노 스케일의 기술을 다룹니다. BioMEMS는 단순히 생체전기정보공학 분야에 쓰이는 MEMS를 나타내는 표현입니다. 이런 작은 구조를 만들 때 탑다운으로 직접 요소들을 배치해서 만드는 방법과, 한 겹 한 겹 쌓아올리는 바텀업 방법을 비교합니다. 바텀업은 반도체 제조 공정에 대해 좀 들어봤다면 익숙한 리소그래피와 알아서 요소들이 접히고 배치되어 원하는 구조물을 만들 수 있는 기술인 자가 조립이 대표적입니다. 예를 들면, 탄소 나노튜브와 ATPase를 이용해서 엄청 작은 나노모터를 만들어 체내에 넣을 나노로봇과 같은 소형 장치에 추력을 제공할 수도 있습니다. 이외에도 게코 발바닥을 본뜬 접착 반창고와 모르포 나비의 날개에서 영감을 받은 반사식 디스플레이와 같은 생체모방기술도 다양하게 있습니다. 앞서 이야기한 자가 조립과 비슷한 기술로는 DNA 오리가미가 있습니다. DNA 서열 별로 구조적으로 접히는 방식을 이해하면 이를 적재적소에  배치한 디자인으로는 복잡한 2차원, 3차원 구조를 디자인할 수 있습니다.

차세대 시퀀싱(NGS) 기술도 유전체 분석의 성능을 높이고자 다양한 혁신이 있었습니다. 템플릿으로 사용되는 DNA는 에멀션 PCR과 같은 과정을 통해 증폭을 하고, 양이 충분해지면 다양한 시퀀싱 기술을 동원하여 서열을 분석하게 됩니다. 회사에 따라서 DNA에 형광 염료 태깅을 하거나, 중합하면서 방출되는 인산으로 인한 pH 변화나 빛을 감지하는 루시퍼레이스의 반응을 이용하기도 합니다.

NGS에서 DNA를 연장하는 방식은 크게 DNA ligase를 사용하는 방식과 DNA polymerase를 사용하는 방식이 있습니다. 전자는 뉴클레오타이드를 하나씩 효소를 이용해서 붙이는 반면, 후자는 보통 DNA 복제 시에 쓰이는 효소를 이용해서 전체 서열을 따라 움직이면서 연장합니다. 물리적인 원리를 접목한 좀 흥미로운 예시는 Pacific Biosciences의 제로 모드 웨이브가이드 기술이 대표적입니다. 미세한 웰 바닥에 DNA 조각을 고정해 둬야 고해상도 이미징을 할 수 있는데, 도파관 (전자기학 시간에 다룹니다)에서 zero-mode 상태를 구현하면 딱 바닥에 해당하는 위치에 고정하는 것이 가능해집니다.

 

합성 생물학 (synthetic biology)는 생물학과 공학을 결합하여 새로운 생물학적 부품이나 생물 자체를 설계하고 구현하는 혁신적인 분야로, 인슐린 생산과 같은 세포 기능을 재프로그래밍하거나 인공 생명의 DNA를 아예 설계하는 등 다양한 기술적 혁신을 접하게 됩니다. 전자와 같은 부분적 기능의 제어는 현재 많이 연구가 되어 있으나 후자는 아직 방대한 DNA른 한 치의 오류도 없이 전부 디자인하는 것이 어렵기 때문에 완성되지 않은 상태입니다. 이외에도 DNA 편집 기술의 대표 주자인 "유전자 가위" CRISPR 기술이 그동안 어떻게 발전해 왔는지 (사용하는 타겟팅 방법이나 사용하는 효소 디자인의 혁신들)를 공부하게 됩니다.

MRI나 CAT 스캔과 같은 의료 영상 기술에 대해서도 다양하게 다루게 됩니다. 에너지원 (X선, 초음파 등), 모달리티 (현미경, 방사선 등) 등 다양한 기준에 따라 분류해서 설명하게 됩니다. 초음파와 같은 원리로 작동하지만 음파 대신 빛을 이용하는 광간섭 단층 촬영 (Optical coherence tomography)도 소개되는데, 이는 방사선 없이 세포 단위 해상도를 제공하는 저위험 영상 기술의 대표주자입니다. 이외에도 얻은 의료 영상의 화질을 개선하거나 찍는 데에 걸리는 시간을 줄이는 등 다양한 방면에 머신러닝과 같은 컴퓨터과학 영역의 기술이 어떻게 쓰이는지도 공부합니다.

 (DONE)

 

마지막으로 Implantable device를 다루게 되는데, 이는 손상되거나 기능이 제대로 작동하지 않는 신체 부위에 대한 해결책을 제공하는 이식형 장치들을 이르는 말입니다. 보통 뇌나 말단의 신경, 다양한 생체 데이터 등 신체와 직접 연동되어 감각 및 운동 기능을 대체하거나 보완합니다. 예를 들어, 뇌-기계 인터페이스와 머신러닝, TTS 기술을 사용해서 언어와 관련된 뇌 영역에 전극을 이식하여 실어증을 가진 사람이 하고 싶은 말을 할 수 있도록 도와준 사례도 있습니다. 좀 다른 방면으로는 약물을 체내에 공급하는 것을 목적으로 하는 약물 전달 시스템(drug delivery system)도 있습니다. 이는 약물 투여의 정밀도와 효율성을 향상시키는 혁신으로, 대표적 예시로 연속 혈당 모니터링(CGM)을 통합해서 인슐린 공급을 스스로 제어하는 인슐린 펌프와 같은 기술이 있습니다. 이외에도 안구 조직에 약물을 방출하는 특수 렌즈나 삼투 현상을 이용해서 내부에서 약물을 밖으로 "짜내는" OROS(삼투성 방출 경구 시스템)와 같은 기술도 있습니다.

OROS 기술을 설명하는 도식 [5]

스텐트 (stent)와 심박조율기 (pacemaker)는 심혈관 질환 관리를 위한 대표적인 임플란트 기술입니다. 스텐트는 좁아진 동맥에 삽입되는 금속 메쉬 튜브로, 동맥 벽을 지지하여 조직 괴사와 심부전으로 이어질 수 있는 혈관의 막힘을 방지합니다. 좀 더 최근에 개발된 약물 용출 스텐트는 앞서 설명한 drug delivery system을 여기에 내장해서 수술 후 회복을 돕거나 자가면역 반응을 방지하기 위한 약물을 전달합니다. 심박조율기는 심장에 전기적 자극을 전달하여 심장 박동을 조절하며, ECG로 이를 모니터링해서 심부전이나 부정맥 등을 방지합니다.

2. 선배의 조언  

생체전기정보공학은 위에도 말씀드렸듯이, bioeletrical/bioelectronics engineering (생체전기정보공학) 분야에 관한 학부 과목 2개 중 하나입니다. 사실 한 분야를 다루는 과목 치고 적은 편인데, 이제는 생체전기정보공학을 좀 더 공부해 볼 수 있는 대학원 과목들도 생겨나고 있습니다. 몸의 신호를 통해 의수 같은 장치를 제어하는 데에 필요한 내용을 공부하기 위해서는 김성준 교수님의 신경보완기술, 외골격을 위한 로봇공학 및 생체공학적 내용 전반을 다루는 김진수 교수님의 제어자동화특강 (로봇, 제어 및 웨어러블) 등이 대표적입니다. 이렇게 생체전기정보공학 관련 과목은 늘어나고 있는 추세지만, 아직 많이 부족하다고 생각합니다. 

그렇기 때문에 이 수업을 들을 때 생물학 관련된 부분이 많이 생소할 거예요. 그건 모든 수강생이 비슷하기 때문에 너무 어려워하고 디테일한 부분에 매몰되기보다는, 큰 틀에서 이게 어떻게 작동하는지, 왜 특정 기술이 필요한지 (그것이 제공하는 가치가 무엇인지) 등을 우선 이해하는 데에 집중하면 좋습니다. 그런 다음에 디테일한 생물학적 메커니즘과 용어 등을 살펴보면 대강 완성된 그림을 조금씩 채워나가면서 이해도 있게 수강할 수 있을 것이라 기대됩니다.  

권성훈 교수님의 경우에는 주기적으로 수업 시간에 다룬 내용을 요약해서 제출하는 과제를 내주시고, 그 외에도 연구실 탐방 및 bioinformatics 실습, 기말 발표 및 논문 제출을 한 학기동안 하게 됩니다. 실험실을 갖춘 연구실을 들여다보고, 직접 고가의 장비를 사용해 볼 기회는 학부생에게 흔하게 제공되는 기회가 아니라 관심이 있어서 인턴을 할 생각인 학생들이 판단을 내리는 데에 큰 도움이 될 것 같습니다. 기말 발표는 직접 연구 주제를 제안하고, 문제 상황을 정의하여 해결의 필요성, 이를 위해 제안하는 기술을 피칭하고 이를 기반으로 논문까지 쓰게 됩니다. 학부생에게 대학원 연구의 큰 부분을 차지하는 논문 작성을 체험하고 발표 실력을 갈고 닦을 기회를 줌으로써 연구 역량을 다지는 데에 큰 도움이 됩니다.

3. 진로 선택에 도움되는 점  

생체전기정보공학은 유관한 교과목 중 가장 먼저 듣게 되는 과목입니다. 그래서 본인이 전기정보공학을 인체, 혹은 생물 관련된 문제 상황에 도입하는 데에 관심이 있는지 가늠해 보기 좋은 과목입니다. "선배의 조언" 섹션에서 말씀드린 것처럼 기말 과제가 연구 전반을 체험하는 압축적인 경험을 제공하는 만큼, 직접 새로운 것을 고안하고 리서치를 해보면서 관심도나 본인과의 적합성을 알아보기 좋습니다.

4. 맺음말

지금까지 생체전기정보공학에 대해서 한 번 알아봤습니다. 화학, 생물, 통계 중 2개만 수강하면 되기에 전기정보공학부에서 생물학과 담을 쌓고 지낸 학생들도 꽤 있을 것이라고 생각합니다. 그런 경우에는 조금 당황스러울 수 있는 교과목이라고 생각하지만, 항상 큰 그림 위주로 생각하고 디테일한 부분은 조금씩 채워넣는 것을 추천합니다. "이 기술이 필요하게 된 배경이 무엇인가?", "이 기술이 제공하는 핵심 가치/혁신이 무엇인가?" 등을 끊임없이 질문하면서 공부하다 보면 무사히 수강할 수 있으니 많은 분들이 걱정없이 수강했으면 좋겠습니다.

5. 참고 문헌

[1] https://www.slideshare.net/slideshow/karyotypingpptx-256197493/256197493

[2] https://www.the-scientist.com/insights-into-qpcr-protocol-detection-methods-and-analysis-71478

[3] https://www.antibodies-online.com/resources/17/1224/western-blotting-immunoblot-gel-electrophoresis-for-proteins/

[4] https://www.southernbiotech.com/introduction-to-elisa/

[5] https://www.researchgate.net/publication/341822477_Ulcerative_colitis_A_review_on_drug_delivery_strategies/figures?lo=1&utm_source=google&utm_medium=organic