자성으로 다중 세포를 동시 제어하는 디지털 세포 제어기술 개발
자성으로 다중 세포를 동시 제어하는 디지털 세포 제어기술 개발
  • 이웃집과학자
  • 승인 2021.07.07 00:35
  • 조회수 1522
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DGIST(총장 국양)는 신물질과학전공 김철기 교수 연구팀이 자성(磁性)을 이용해 다중 세포를 제어, 분석하는 자성 트위징 기술을 개발했습니다. 정밀한 개별 세포 분석이 더욱 용이해져, 질병 맞춤 치료나 신약개발 등 바이오 의학 분야 연구에 획기적인 원천기술이 될 전망입니다.

Advanced Science 표지논문커버로 채택된 김철기 교수팀 연구성과 이미지
Advanced Science 표지논문커버로 채택된 김철기 교수팀 연구성과 이미지

생명체를 이루는 세포는 다양한 분화작용을 통해 스스로 성장하고 조절합니다. 이러한 세포가 비정상적인 작동을 하면 각종 질환이나 암세포를 유발하는데요. 이러한 수많은 세포들이 가진 각기 다른 특성 때문에 세포 상호작용 등을 밝혀내기 위한 단일 세포 연구가 필요합니다. 

단일 세포 연구는 여러 세포들이 섞이지 않도록 격리하는 기술이 중요합니다. 현재까지는 광압(光壓)을 이용해 힘을 주어 세포를 움직이게 하는 광학트위저(optical tweezers) 기술 등이 주로 사용되고 있습니다. 이는 각기 다른 세포를 구분하기 위해 형광 라벨링을 이용한 이미지인식 처리 등 외부적인 프로세싱이 별도로 필요한데요. 또한 기존의 자성 기반 기술들은 단일 세포 제어를 위해 세포 표면이 가지는 사전 정보가 필요해 추가적인 공정과 비용이 발생합니다.

이에 DGIST 김철기 교수 연구팀은 자기장 제어로 간단하고 효과적으로 수천 개의 세포와 초상자성(superparamagnetic) 입자를 제어하는데 성공했습니다. 초상자성 입자란 세포를 움직이는 운반자 역할을 하는 미세한 자성체인데, 세포 주변의 공간에 이를 채워 넣어 특정 세포를 정밀하게 제어 가능하게 했습니다. 또한 연구팀은 특수한 형상의 미세 자성 패턴으로 각 세포를 패턴에 따라 움직여 크기별로 분류한 뒤에 원하는 위치에 개별적으로 다중의 세포를 포집할 수 있었습니다. 이는 패턴이 자체적으로 대상을 판단하기 때문에 기존까지의 외부 설비가 필요 없는 장점이 있습니다.

세포의 반자성을 강화하여 비표지 방식으로 제어하는 자성 패턴 개념도. 자성 유체를 주변에 채우면, 반자성체인 세포 내부는 자기장의 밀도가 주변 공간보다 상대적으로 더 낮아지게 되고 결과적으로 유사반자성을 만들 수 있다. 출처 : DGIST
세포의 반자성을 강화하여 비표지 방식으로 제어하는 자성 패턴 개념도. 자성 유체를 주변에 채우면, 반자성체인 세포 내부는 자기장의 밀도가 주변 공간보다 상대적으로 더 낮아지게 되고 결과적으로 유사반자성을 만들 수 있다. 출처 : DGIST

연구팀은 더 나아가 자성체의 응집 문제 등 기존의 자성 기반 플랫폼이 가진 한계를 보완한 자성 트위징 플랫폼을 자체 개발했습니다. 연구팀은 실험을 통해 의도적으로 대칭을 무너트린 자성 패턴으로 수백 개의 위치에서 동시에 응집된 자성체를 동일한 간격으로 분리해내는 데 성공했습니다. 

제1저자인 김현설 박사과정생은 “미세 자석의 형태를 변경하는 것만으로 복잡한 장비와 동일한 결과를 얻는 것이 가장 큰 장점”라며, “복잡한 설정 없이 회전자기장의 각도만으로 제어가 가능하다”고 설명했습니다.

김철기 교수는 “기존의 표지(標識)된 세포만을 분리하는 기술을 넘어, 표지된 세포와 비표지된 세포 양쪽 모두를 목적별로 개별 제어하는 기술을 최초 개발했다”며, “세포에 가장 영향을 적게 주는 자기장을 기반으로 해, 단일 세포 규모의 연구와 각종 조기 진단, 맞춤의학 등의 활용이 기대된다”고 밝혔습니다. 

이번 연구 결과는 세계적 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 5월 21일자 온라인 게재와 더불어 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’에 6월 26일자 표지논문으로 채택됐다. 아울러 과학기술정보통신부의 지원과 한국연구재단 선도연구과제인 자성기반라이프케어연구센터 및 삼성전자 미래기술육성센터의 지원을 받아 진행됐다.


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