초고진공 속 왜곡 없이 질량분석하는 세포 이미징
초고진공 속 왜곡 없이 질량분석하는 세포 이미징
  • 함예솔
  • 승인 2021.02.15 17:10
  • 조회수 292
  • 댓글 0
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DGIST 기초학부 및 뉴바이올로지전공(겸직) 문대원 석좌교수와 뉴바이올로지전공 임희진 박사 연구팀이 살아있는 세포막의 분자 조성을 초고진공(ultra-high vacuum) 환경에서 왜곡 없이 시각화하는 질량분석 바이오 이미징 기술을 최초 개발했다고 밝혔습니다. 이번 연구 결과는 다양한 바이오 분자 정보를 왜곡 없이 이미징이 가능해 치매나 암과 같은 복잡한 질병 메커니즘 등을 규명하는데 크게 기여할 것으로 기대됩니다. 해당 연구는 'Nature Methods'에 게재됐습니다. 

  • 초고진공(ultra high vacuum)

고진공보다 더욱 진공도가 높은 상태로 실험실에서 약 10-8㎩의 진공상태를 말합니다. 이 상태에서 만들어진 박막재료들은 불순물이 매우 적으므로 반도체 공정에 널리 사용되기도 합니다. 

 

왜곡없이 정확한 다중 분자 정보의 '질량분석 이미징' 기술 

 

바이오 이미징 기술은 세포에서 일어나는 현상을 영상으로 볼 수 있게 만드는 기술입니다. 질병의 조기 진단이나 신약개발 등에 필요한 핵심 기술로써 생명공학, 물리, 화학, 기계 전자와 같은 여러 분야의 융합이 필수적입니다. 이 때문에 첨단 나노 이미징 분석을 위해 초고진공 환경에서 가속 전자빔 혹은 가속 이온빔을 이용한 전자 현미경이나 SIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry, 2차 이온 질량 분석) 분석법을 주로 적용합니다. SIMS 분석법은 가속 이온을 이용해 주로 반도체 제조를 위한 극미량의 불순물 분석에 활용되는 기술인데, 분석 감도가 매우 높아 최근 바이오 이미징 기술에 적용하려는 연구가 활발합니다. 

 

현재 SIMS를 이용한 세포분석법은 용액에서 배양된 살아있는 세포를 화학적인 방법으로 고정화하거나 냉각한 후 건조 과정을 거쳐 초고진공 환경에서 분석하는 방식입니다. 하지만 이 과정에서 세포의 고유한 분자 조성 및 분포 정보가 왜곡되는 등 정확한 분석을 하는데 어려움이 있어왔습니다.

단일층 그래핀으로 덮힌 배양된 세포막으로부터 생체 분자들이 단일층 그래핀을 뚫고 탈착되는 모식도(A) 및 예상 탈착과정(B). 출처: DGIST
단일층 그래핀으로 덮힌 배양된 세포막으로부터 생체 분자들이 단일층 그래핀을 뚫고 탈착되는 모식도(A) 및 예상 탈착과정(B). 출처: DGIST

이에 DGIST 문대원 교수 공동연구팀은 살아있는 상태의 세포막 분석이 가능하도록 세포를 배양하는 기판 하부에 세포 배양액을 보관하는 5마이크로리터(μl,100만분의 1리터) 부피의 미세 배양액 저장고와 1마이크로미터(μm,100만분의 1미터) 지름의 구멍 수천 개를 제작했습니다. 이를 콜라겐 바이오 분자 박막으로 덮어 세포의 부착 및 배양 과정을 용이하도록 했습니다. 

 

배양된 세포는 살아있는 상태에서 단일층 그래핀으로 덮어 초고진공 환경에 도입했습니다. 단일층 그래핀은 물 분자가 새어 나올 수 없는 구조로써, 역학적으로도 강해 상온에서의 물 증기압을 이길 수 있습니다. 이 때문에 세포 배양 용액 내의 세포를 초고진공 환경에서 덮어 유지할 수 있었습니다. 이를 통해 연구팀은 살아있는 세포를 보호하면서 SIMS 분석법을 적용해 이미징 하는데 최초 성공했습니다.

살아있는 폐암 세포의 세포막에 존재하는 지질 분자를 SIMS 분석법으로 이미징한 영상. 출처: DGIST
살아있는 폐암 세포의 세포막에 존재하는 지질 분자를 SIMS 분석법으로 이미징한 영상. 출처: DGIST

연구팀의 이번 연구 결과는 반도체 공정 기술, 그래핀 나노 물질 기술, 세포 배양, SIMS 분석 기술, 일차원리 동역학 이론 계산과 같이 반도체 공학, 나노 재료 공학, 생물학, 표면화학, 이론화학 등 다양한 분야의 융복합 연구를 통해 수행된 점에서 의미가 큽니다. 

 

DGIST 문대원 석좌교수는 "최첨단 나노 이미징 기술로 살아있는 세포막의 다양한 분자 정보를 왜곡 없이 정확한 질량 분석 이미징으로 제공할 수 있게 됐다”며 “다양한 바이오 의료 분야 및 아니라 액체 상에서 일어나는 부식, 마모, 촉매 등 다양한 현상을 분자 및 원자 수준에서 이해하는데 획기적인 기반 기술이 될 것"이라고 밝혔습니다. 

DGIST 문대원 석좌교수(왼쪽)와 임희진 박사가 배양된 세포를 단일층 그래핀으로 덮는 과정을 실험하고 있다. 출처: DGIST
DGIST 문대원 석좌교수(왼쪽)와 임희진 박사가 배양된 세포를 단일층 그래핀으로 덮는 과정을 실험하고 있다. 출처: DGIST

또한 질량분석의 세계적 전문가인 네덜란드 Ron Heeren 교수(마스트리흐트대학교)는 네이처 온라인 리뷰를 통해 "초고진공에서 살아있는 세포를 이미징하는 혁신적인 기술"이라며 "약물과 세포막 간 상호작용, 용액 내 촉매 표면연구, 바이오 생체조직 칩 기기 등의 연구를 위해 전 세계 질량분석 연구실에서 활용될 것"으로 전망했습니다.


##참고자료##

 


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