DNA Sequencing (DNA 염기서열 결정법)은 쉽게 말해 생명체의 염기서열을 분석하여 원하는 생채 정보를 얻는 방법이다. 이것을 통해 앞으로 내 키가 얼마나 클지, 어떤 암에 걸릴 확률이 있는지 심지어 나의 조상은 어디에서 왔는지 알 수 있다.
과거에는 유전자 검사를 하기 위해 수 억 원의 비용이 들었지만, 최근에는 기술의 발달로 그 비용이 기하급수적으로 줄어서 개인이 이용할 수 있을 정도로 저렴해졌다. 특히 2008년을 기점으로 그 가격이 100배 이상 낮아졌다. 기존의 생거 시퀀싱과 차별화된 차세대 기술 (Next Generation Sequencing)이 개발되어 가능했다. 이른바, 유전자 검사의 시대가 온 것이다. 이러한 상황에서 TDI 카메라가 어떻게 유전자 검사의 해법이 될 수 있을까?
DNA Sequencing 이란?
DNA는 4가지 Base(염기)로 구성되어 있는데, 각각 A, G, C, T 라 불린다. A, G, C, T 라는 염기가 어떤 순서로 배열이 되어있는지 따라 생명체의 특성이 결정된다.
TDI 카메라가 DNA Sequencing에 적합한 이유
이유1. 최대 256 스테이지를 사용하여 미약한 신호도 선명하게 촬영한다
Sequencing에서 기존에는 과학용 line scan 카메라를 주로 사용했다. 미약한 신호를 잡아내기 위해 Pixel 크기가 수십 um 이상의 센서를 선택해야 했고 그로 인해 해상도나 속도를 포기해야만 했다. 그러나 TDI line scan 카메라를 이용하면 과학용 line scan 카메라만큼 선명하게 신호를 구별할 수 있다. TDI는 Time Delayed Integration 의 약자로 이미지센서의 스테이지 수만큼 이미지가 중첩되어 이미지를 더욱 선명하게 만들어주는 기술이다. 뷰웍스의 TDI 카메라는 최대 256 stage를 지원하여 기존보다 200배 이상의 밝기를 가질 수 있다.
이유2. Dark noise가 낮아 어두운 환경에서도 신호를 구별한다
뷰웍스 TDI 카메라는 Hybrid 센서를 적용하여 CCD 센서 급의 이미지 성능과 CMOS 센서 급의 속도와 적은 발열량을 탑재하고 있다. 빛의 양이 적은 Application 에서는 Dark Noise 에 취약할 수 밖에 없는데, 뷰웍스 TDI 카메라는 낮은 Dark noise 로 인해 어두운 환경에서도 신호를 구별하게 해준다. 또한 Analog gain 을 증폭시켜 원래 신호보다 최대 80 배 높게 영상을 획득할 수 있다.
| – | Dark Noise | SNR Max. | Dynamic Range |
| 뷰웍스 12K TDI | 18 e- | 46 dB | 67 dB |
| 타사 12K TDI | 33 e- | 44 dB | 57 dB |
Table 1. 뷰웍스 및 타사 이미지 성능 비교
이유3. CXP-6 인터페이스를 지원하여 검사 속도가 빠르다
또한 현대의 DNA Sequencing 에서 가장 중요하게 요구되는 성능 중에 하나가 속도라고 봤을 때, 뷰웍스의 CXP (CoaXpress) 인터페이스의 TDI 카메라는 좋은 해결책이 될 수 있다. CXP6 인터페이스의 대역폭은 2400Mbytes/s로 Cameralink (850Mbyte/s), GigE (100Mbytes/s), USB (400Mbytes/s) 인터페이스보다 속도가 훨씬 빠르다. 예를 들어, 뷰웍스 12K 카메라 기준으로 카메라의 최대속도는 200kHz에 달한다. 특히, 뷰웍스 최신 모델인 CXP6 8CH 의 16k 급 카메라로 line rate 300kHz에 도달하는데 이는 기존 TDI 데이터 전송량의 두 배에 달한다. 각 Base 형광 물질에 적합한 광학 필터를 장착하여 4대의 TDI 카메라를 동시에 운영하면 보다 빠르게 DNA Sequencing 데이터를 획득할 수 있다.
이유4. Scan 방향과 상관없이 일정한 영상 퀄리티를 가진다
DNA Sequencing을 빠르게 하기 위한 방법의 일환으로 양방향 스캔이 논의되고 있다. DNA Sequencing에서 사용하는 형광 염료의 미약한 형광신호 세기를 증폭하는 데에는 한계가 있다. 그래서 카메라의 감도가 높아야 할 뿐만 아니라 일정한 수준의 noise level을 갖고 있어야 한다. 그러나 TDI 카메라로 대상을 촬영할 때, 진행방향에 따라서 감도가 조금씩 달라질 수 있다. 일반적인 어플리케이션에서는 문제가 되지 않겠지만 DNA Sequencing 에서는 그러한 차이가 큰 문제점을 낳을 수 있다. 뷰웍스의 ‘양방향 DSNU’ 기능을 사용하면 카메라는 진행방향에 상관없이 일정한 영상 퀄리티를 보장한다. Dark field에서 한 개의 명령어로 양방향에 대한 DSNU 보정 데이터를 생성하고 진행방향이 바뀔 때마다 해당되는 보정데이터를 자동으로 불러온다.
하기의 이미지는 VT-9K7X-H250 카메라로 ATGC 베이스 중 ‘A’의 형광신호를 촬영한 것이다. 사실 이 신호는 육안으로 보면 암흑으로 보이지만, 뷰웍스의 고성능 센서와 Dark 보정 기술로 선명하게 형광 이미지를 촬영할 수 있다.
2019 다보스 세계경제포럼에서 지목한 ‘10대 떠오르는 기술’에 DNA 저장기술이 선정 되었다. DNA저장 기술을 활용하기 위해선 DNA Sequencing 의 역할이 커질 수 밖에 없는 대목이다. 뷰웍스는 이미 여러 DNA Sequencing 업체와 협업하고 있고 관련된 경험을 축적하고 있다. DNA Sequencing을 하는 많은 업체들이 뷰웍스의 TDI 카메라를 통해 안정적이고 빠른 DNA Sequencing을 이룰 수 있도록 희망한다.
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