GIST-KAIST, 플라즈모닉 메타표면 기반 무염색 세포 이미징 기술 개발

금 나노입자 뭉친 올리고머 구조 적용

세포막 너머 내부 구조까지 감지해

병리 진단·신약 개발 활용 기대

GIST-KAIST 공동연구팀.ⓒGIST

국내 연구팀이 세포에 색칠하지 않아도 세포막 너머 내부 구조까지 감지하는 기술을 개발했다. 이번 기술은 세포를 손상시키지 않은 상태에서 세포 내부 구조와 움직임을 정량적으로 분석할 수 있다는 점에서 의미가 있다.

광주과학기술원(GIST)은 전기전자컴퓨터공학과 정현호 교수와 한국과학기술원(KAIST) 전기 및 전자공학부 송영민 교수 공동연구팀이 별도의 염색 처리 없이 살아있는 세포 내부 구조를 실시간으로 관찰할 수 있는 나노광학 이미징 기술을 개발했다고 11일 밝혔다.

세포 내부 구성 요소의 분포와 변화를 정확히 파악하는 것은 생명 현상과 질병의 원인을 이해하는 데 필수적이다.

그러나 살아있는 세포는 대부분 투명해 일반 광학현미경으로는 내부 구조를 구분하기 어렵다.

이 때문에 특정 구조에 형광물질을 붙여 관찰하는 염색 기술이 널리 사용돼 왔지만 세포에 형광물질을 처리하는 별도의 준비 과정이 필요하고 관찰 과정에서 형광 신호가 약해지거나 세포가 손상될 수 있어 실시간 관찰에는 한계가 있다.

최근에는 플라즈모닉 메타표면을 활용한 나노광학 기반 무염색 세포 이미징 기술이 주목받고 있으나 빛을 감지할 수 있는 범위가 세포 표면 부근에 한정돼 세포 내부 구조를 관찰하는 데는 제약이 있다.

플라즈모닉 메타표면은 머리카락보다 훨씬 작은 금속 구조를 얇은 표면에 규칙적으로 배치해 빛의 움직임을 인위적으로 제어하는 초박막 광학 소재다.

공동연구팀은 이를 극복하기 위해 세포 내부 소기관들이 서로 다른 광학적 특성을 가진다는 점에 착안해 올리고머(oligomer) 구조를 적용한 새로운 플라즈모닉 메타표면을 개발했다.

올리고머 구조를 적용, 빛을 감지하는 영역을 기존보다 크게 확장함으로써 기존 기술로는 관찰이 어려웠던 세포막 너머의 세포 내부 구조까지 감지할 수 있게 됐다.

감지된 구조는 서로 다른 색 변화로 나타나 별도의 염색 과정 없이도 세포 내부 정보를 직관적이고 정량적으로 분석할 수 있다.

공동연구팀은 올리고머 구조를 적용한 플라즈모닉 메타표면을 이용해 별도의 화학 처리 없이 동물 세포(COS-7)를 관찰했으며 형광 염색 이미지와의 비교를 통해 세포 내부 구조를 관찰할 수 있는 기술의 유효성을 확인했다.

나아가 1초의 1000분의 1에 해당하는 밀리초 단위의 영상 촬영을 통해 살아있는 세포 내부 소기관의 움직임을 실시간으로 시각화하는 데도 성공했다.

이를 통해 세포를 손상시키지 않은 상태에서 실시간 관찰이 가능함을 확인했다.

이번 나노광학 이미징 기술은 살아있는 세포의 상태를 자연 그대로 관찰할 수 있어 병리 진단, 신약 개발, 세포 대사 연구 등 다양한 생명과학·의생명 분야에 활용될 것으로 기대된다.

정현호 교수는 “세포 내부를 라벨이나 염색 없이 실시간·정량적으로 관찰할 수 있다는 점이 중요하다”며 “복잡한 염색 과정을 크게 줄이면서도 살아있는 세포의 동적 정보를 얻을 수 있어 다양한 바이오 연구 분야에 활용될 것으로 기대한다”고 말했다.

연구 결과는 재료과학 분야 국제학술지 ‘스몰’(Small)에 지난달 24일 온라인 게재됐다.

한편 GIST는 이번 연구 성과가 학술적 의의와 함께 산업적 응용 가능성까지 고려한 것으로, 기술이전 관련 협의는 기술사업화센터를 통해 진행할 수 있다고 밝혔다.