세포 내 나노입자 인식 가능한 초고해상도 구현
<사이언티픽 리포트> 6월 15일자 논문 게재

응용화학과 강성호 교수 연구팀이 비형광·초고분해능 광학현미경 기술을 개발했다. 연구팀은 이 기술로 살아 있는 세포 내의 나노입자들이 5나노미터(㎚, 10억분의 1ｍ) 이하의 거리만큼 가까이 있어도 인식 가능한 초고해상도 광학이미지를 얻는 데 세계 최초로 성공했다. 연구 성과는 <네이처> 자매지 <사이언티픽 리포트(Scientific Reports)> 6월 15일자에 게재됐다. 연구는 강성호 교수가 주도하고, 장펭 석박사통합과정생(제1저자)과 이승아 박사가 참여했다.

“의학, 약학, 분자생물학, 바이오, 반도체 등에 응용”
물리학 법칙에 따르면, 일반적인 광학현미경은 빛의 굴절 한계로 가시광선 영역에서 200나노미터보다 가까운 거리에 있는 서로 다른 물체를 구분할 수 없다. 극복할 수 없는 것으로 여겨져 온 이 한계가 미국과 독일 과학자 3명에 의해 깨졌다. 이들이 개발한 초고해상도 형광현미경은 형광분자를 이용해 20나노미터만큼 가까운 물체를 인식할 수 있게 한다. 이로써 종전에는 보지 못했던 살아 있는 세포 구조를 나노 크기의 분자 수준에서 고해상도로 관찰할 수 있게 됐다. 3명의 과학자는 연구 업적을 인정 받아 지난해 노벨화학상을 받기도 했다. 그러나 이 현미경은 형광물질에 의한 광안정성(Photostability), 광표백(Photobleaching), 발암성 위험 등의 문제가 있다.

강성호 교수 연구팀은 형광현미경의 한계를 극복하기 위해 형광물질 대신 플라스몬 나노입자를 활용했다. 연구팀은 플라스몬 나노입자를 이용해 원하는 나노입자만 선택적으로 검출할 수 있는 파장변조-증강된 암시야 조명법을 개발했다. 이 기술을 활용하면, 살아 있는 세포 내의 나노입자들이 5나노미터 거리만큼 가까이 있어도 인식이 가능하다. 강성호 교수는 “이번 연구를 통해 원천기술을 확보했다”면서 “연구결과는 의학, 약학, 분자생물학뿐 아니라 바이오, 반도체, 촉매, 표면기술 등 다양한 분야에 응용될 수 있다”고 설명했다.   

유전자에서 직접 분자 검출하는 후속 연구 추진 중
비형광·초고분해능 광학현미경 기술을 통해 살아 있는 바이러스, 단백질, 나노 크기의 미세한 분자를 관찰할 수 있게 되면서 질병의 기전 연구, 세포보다 작은 나노입자와 생체분자 분포 연구 등이 가능해진다. 강성호 교수 연구팀은 후속 연구로 의과대학 교수와의 코웍(Co-work)을 통해 질병 진단과 치료 등에 관련 기술을 활용하는 연구를 추진 중이다. 특히, 유전자에서 직접 분자를 검출하는 방법을 연구할 계획이다. 그동안 유전 질환과 중동호흡기증후군(메르스), 신종 인플루엔자와 같은 감염성 질환을 진단할 때 유전자를 생체 밖에서 증폭시키는 중합효소 연쇄 반응(polymerase chain reaction, PCR)이 사용돼왔다. 이 방법은 생체시료를 처리하는 과정에서 오염에 노출될 수 있고, 유전자를 증폭시키는 시간이 필요하다. 강성호 교수는 “유전자에서 직접 분자를 검출하는 방법이 개발되면, 질병 진단에 소요되는 정확도와 시간을 획기적으로 개선시킬 수 있을 것”이라고 기대했다. 

강성호 교수는 1998년 휴먼 게놈 프로젝트를 시작하면서 단일 분자 검출 기술과 시스템을 연구·개발해왔다. “15년 이상 연구하며 쌓아온 경험과 노하우로 이번 연구 성과를 낼 수 있었다”고 전한 강 교수는 “단일 분자 검출 관련 기술을 화학 분야에 적용하던 초창기 연구가 이제 응용 분야에 적용하는 단계에 와있다”며 “앞으로 더 많은 성과를 낼 수 있을 것”이라고 밝혔다.

이번 연구는 미래창조과학부 중견(핵심)연구사업 지원으로 수행됐다.