살아있는 세포의 전자현미경 관찰 성공
살아있는 세포의 전자현미경 관찰 성공
  • 함예솔
  • 승인 2020.07.10 23:30
  • 조회수 1481
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KAIST 신소재공학과 육종민 교수 연구팀이 경북대학교 ITA 융합대학원 한영기 교수 연구팀과 공동 연구를 통해 살아 있는 세포를 전자현미경을 통해 실시간으로 관찰하는 데 성공했습니다. 이번 연구를 통해 살아 있는 다양한 세포의 실시간 분자 단위 관찰이 가능해졌는데요. 그동안 관찰하지 못했던 살아 있는 세포의 전이·감염에 관한 전 과정을 규명할 수 있게 돼 신약 개발 등을 더욱 촉진할 수 있을 것으로 기대됩니다. 해당 연구는 <Nano Letters>에 게재됐습니다.

Nano Letters 표지 이미지. 출처: KAIST
Nano Letters 표지 이미지. 출처: KAIST

전자현미경으로 보기 위해서는

 

전 세계적으로 대유행하고 있는 코로나바이러스감염증(COVID-19) 등은 수십~수백 나노미터(nm, 1 나노미터는 100만 분의 1밀리미터) 크기의 바이러스로 인해 일어나는 질병입니다. 바이러스의 전이·감염 과정을 분석하고 이에 대처하는 신약 개발을 위해서는 바이러스의 미시적인 행동을 실시간으로 관찰하는 것이 매우 중요합니다.

본 연구에 사용된 그래핀 액상 셀을 이용한 세포 관찰 방법에 대한 모식도와 이를 이용해서 관찰한 살아있는 세포의 주사전자현미경 이미지. 출처: KAIST
본 연구에 사용된 그래핀 액상 셀을 이용한 세포 관찰 방법에 대한 모식도와 이를 이용해서 관찰한 살아있는 세포의 주사전자현미경 이미지. 출처: KAIST

수십~수백 나노미터 크기의 바이러스 등을 비롯해 세포와 세포를 이루는 기관들은 가시광선을 이용하는 일반 광학현미경으로는 관찰이 어려워 해상력이 매우 높은 전자선을 이용하는 전자현미경 기술을 이용합니다.

일반 전자현미경 기술을 이용하여 관찰한 죽은 세포(상) 와 그래핀 액상 셀을 이용하여 관찰한 살아있는 세포(하)의 주사전자현미경 이미지. 출처: KAIST
일반 전자현미경 기술을 이용하여 관찰한 죽은 세포(상) 와 그래핀 액상 셀을 이용하여 관찰한 살아있는 세포(하)의 주사전자현미경 이미지. 출처: KAIST

그렇지만 전자현미경 기술은 효율적인 작동을 위해 매우 강력한 진공 상태가 필요하며 또 가시광선보다 수천 배 이상 높은 에너지를 가지는 전자를 이용하기 때문에 관찰 시 세포의 구조적인 손상이 불가피합니다. 따라서 현재로서는 2017년 노벨화학상을 수상한 기술인 극저온 전자현미경을 통해 고정 작업 및 안정화 작업을 거친 표본만 관찰이 가능합니다. 

 

그래핀 이용해 전자현미경으로 세포 관찰 성공

그래핀 액상 셀을 이용한 샘플과(좌) 일반 전자현미경 관찰한(우) 이후 형광분석법을 통한 세포의 생존성 검증. 살아 있는 세포는 녹색 형광을 보인다. 출처: KAIST
그래핀 액상 셀을 이용한 샘플과(좌) 일반 전자현미경 관찰한(우) 이후 형광분석법을 통한 세포의 생존성 검증. 살아 있는 세포는 녹색 형광을 보인다. 출처: KAIST

최근 학계에서는 사멸해 고정된 것이 아닌 온전한 상태의 살아 있는 세포등 다양한 생체 물질을 전자현미경을 이용해 분자 단위로 관찰 가능한지에 대한 논쟁이 전개되고 있습니다. 육종민 교수 연구팀은 지난 2012년 개발한 그래핀 액상 셀 전자현미경 기술을 응용해 전자현미경으로도 살아있는 대장균 세포를 관찰하는 데 성공했고 이를 재배양시킴으로써 전자와 진공에 노출됐음에도 불구하고 대장균 세포가 생존한다는 사실을 밝혀냈습니다. 

  • 그래핀 액상 셀 (Graphene liquid cell) 

강한 강도와 비투과성을 가진 그래핀을 이용해 높은 진공도를 가지는 전자현미경 등의 기구 내에서 액체나 기체와 같이 쉽게 손실되는 물질을 봉입하는 기술입니다. 2012년 KAIST 육종민 교수가 최초로 개발했습니다.

그래핀 액상 셀을 이용한 샘플과(좌) 일반 전자현미경 관찰한(우) 이후 원자힘현미경(AFM) 관찰을 통한 생존성 검증. 살아 있는 세포는 내부 물질의 손실이 현저히 적은 것을 보인다. 출처: KAIST
그래핀 액상 셀을 이용한 샘플과(좌) 일반 전자현미경 관찰한(우) 이후 원자힘현미경(AFM) 관찰을 통한 생존성 검증. 살아 있는 세포는 내부 물질의 손실이 현저히 적은 것을 보인다. 출처: KAIST

육종민 교수 교수 연구팀이 이번 연구에서 활용한 그래핀은 층상 구조인 흑연에서 분리하는 등의 방법으로 얻어내는 약 0.2 나노미터(nm) 두께의 원자 막입니다. 여러 분야에서 차세대 소재로 주목받고 있는 그래핀은 강철보다 200배 강한 강도와 높은 전기 전도성을 가지며, 물질을 투과시키지 않는 성질을 가집니다.

그래핀 액상 셀을 이용한 세포 관찰 방법이 세포를 보호하는 과정을 표현한 개념도. 출처: KAIST
그래핀 액상 셀을 이용한 세포 관찰 방법이 세포를 보호하는 과정을 표현한 개념도. 출처: KAIST

연구팀은 이러한 그래핀 성질을 이용, 세포 등을 액체와 함께 감싸주면, 고진공의 전자현미경 내부에서 탈수에 의한 세포의 구조변화를 막아줄 수 있음을 밝혀냈습니다. 뿐만 아니라, 그래핀이 전자빔에 의해 공격성이 높아진 활성 산소들을 분해하는 효과도 지니고 있어 그래핀으로 덮어주지 않은 세포보다 100배 강한 전자에 노출되더라도 세포가 활성을 잃지 않는다는 결과를 확인했습니다.

KAIST 신소재공학과 육종민 교수, 경북대학교 ITA융합대학원 한영기 교수, KAIST 신소재공학과 구건모 박사. 출처: KASIT
KAIST 신소재공학과 육종민 교수, 경북대학교 ITA융합대학원 한영기 교수, KAIST 신소재공학과 구건모 박사과정. 출처: KAIST

육종민 교수는 "이번 연구 결과는 세포보다 더 작은 단백질이나 DNA의 실시간 전자현미경 관찰로까지 확대될 수 있어 앞으로 다양한 생명 현상의 기작을 근본적으로 밝힐 수 있을 것이라 기대한다"고 밝혔습니다.


##참고자료##

 


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