신체 내 자극과 흥분을 전달하는 세포 단위인 '뉴런'은 인간의 뇌와 신경계에 밀접한 관련이 있어 활발한 연구가 진행 중입니다. 이를 위해 고성능 연구 도구의 적극적인 개발이 한창인데 근래 금속 나노입자와 빛의 상호작용을 연구·적용하는 '플라스모닉스' 분야가 연구자들에게 큰 관심을 받고 있습니다. 플라스모닉스는 고감도 광학 바이오 센서 및 고해상도 이미징에 사용되는 기술인데요. 금속 내의 자유전자가 집단적으로 진동하는 유사입자인 '플라스몬'을 연구·적용하는 분야입니다. 금속 표면의 자유전자와 전자기장(주로 빛)의 상호작용을 다룸으로써 다양한 학문에 적용할 수 있습니다.
부산대학교 나노과학기술대학 광메카트로닉스공학과 김규정 교수 연구팀은 최근 뉴런 세포의 관측 및 자극에서의 플라스모닉스 기술의 활용성을 다룬 논문을 'Biosensors & Bioelectronics'에 게재했습니다.
플라스몬 나노 구조체에서 뉴런 세포 성장성 분석
뇌와 신경계에 대한 연구인 '신경과학'은 뉴런의 작은 분자에 대한 연구에서 인지 및 행동연구에 이르기까지 다양한 주제를 다룹니다. 신경과학계에서는 뉴런과 뉴런 사이와 뉴런과 시냅스(뉴런 간 연결부위) 사이에 작용하는 신경 전달물질의 구조, 기능, 생리학적 이해 등에 대한 활발한 연구가 진행되고 있습니다. 세포의 자극 및 관찰을 위해서는 고해상도, 고성능 연구 방법이 요구되는데 이 중 하나인 '플라스모닉스(plasmonics)'가 세계 관련 연구자들에게 관심을 받고 있습니다.
'플라스모닉스'는 금속 표면에서 전자기장(일반적으로 빛)과 자유전자의 상호작용을 연구하고 적용하는 연구 분야입니다. 일반적으로 외부환경에서 미세 플라스몬 공명 현상을 사용하는 바이오 센서 및 미세 분자 검출 기술로 사용되며 이 기술은 기초 생물학, 화학연구 그리고 특정 질병에 대한 진단에 이르기까지 다양하게 응용되고 있습니다.
플라스몬 공명
검체와 섞인 금속 나노입자 표면에 특정한 파장의 빛을 비추면 흡수되거나 산란을 일으켜 금속의 유도전자가 강하게 진동하면서 열에너지를 방출하는데, 이것이 플라스몬 공명입니다. 이 온도변화를 고속으로 구현해 특정 유전자를 증폭·검출할 수 있습니다.
예를 들어, 지난해 말 국내 연구진이 플라스모닉스 기법을 이용해 코로나19를 단 17분 만에 진단하는 기술을 개발해 화제가 되기도 했다. 검체에 플라스모닉스 금속 나노입자를 섞어 빛을 쪼여 열을 발생시킨 뒤 자석으로 금속 나노물질을 제거하면 형광의 유전물질만 남게 되는데, 그 형광세기에 따라 코로나19 진단이 가능하다.
플라스모닉스 분야에서는 특히 나노구조나 나노입자를 적용해 성능과 감도를 향상시키는 연구도 활발히 진행되고 있습니다. 플라스모닉스 나노구조와 나노입자를 사용해 세포의 형광 이미지에서 감도와 이미징 해상도를 향상시킬 수 있고, 세포의 특정 영역을 자극하는 나노 스케일 광학 탐침으로도 사용 가능합니다. 참고로 탐침은 세포와 직접 닿아 센서에 신호를 보내는 부분을 말하는데요. 바늘 모양, 둥그런 모양 따위의 여러 가지 형태가 있습니다.
이번 연구에서 김규정 교수 연구팀은 신경세포 연구를 위한 플라스모닉스 기술 관련 연구논문과 참고논문 120여 편을 토대로 높은 감도를 갖는 뉴런 활동 및 뉴런 관련 화학물질에 대한 플라스모닉스 센서, 플라스몬을 활용한 뉴런의 고해상도 이미징 기술, 플라스몬 나노구조와 나노 입자를 사용하는 나노 플라스모닉스 광학 신경 자극 기술에 해당 분야의 연구 단계, 활용에 대한 잠재력, 향후 해결 단계에 대해 서술했고, 플라스몬 향상을 위한 다차원 나노 구조를 뉴런의 장기 연구에 적용하기 위한 세포 배양을 통해 뉴런 세포의 생존력과 세포증식률을 확인했습니다.
김규정 교수는 이번 연구에 대해 "현재 뇌신경 병증의 원인을 이해하기 위한 연구가 증가하고 있고 병증 분석을 위한 기술로 플라스모닉스 기술을 기반으로 한 많은 연구가 진행되고 있다. 향후 플라스모닉스 기술을 통한 뉴런과 생체분자의 시험관 내 메커니즘 탐색에서 임상 응용 연구가 필요하고, 이를 위해 플라스모닉 감지, 이미징 및 신경 자극 기술의 보완 연구가 필요하다"고 밝혔습니다.
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