연구성과

기계 박재성 교수팀, 분자 움직임 추적해 ‘나노 입자’ 하나까지 파헤친다

2021-07-08 196

[순차적 조광 및 추적에 의한 세포 밖 소포 분석]

물질과 빛의 상호작용 원리를 바탕으로 빠르게 움직이는 나노미터(nm) 크기 분자들의 브라운 운동을 추적해 관찰하고, 하나하나의 생체 나노 입자가 가진 서로 다른 형광 신호를 측정하는 기술이 개발됐다.

나노 입자 추적분석법은 세계적으로 가장 보편적으로 사용되는 나노 입자 정량법으로, 촬영된 영상 속에 있는 나노 입자 집단을 단일 입자 단위로 관측하고 추적하는 분석법이다. 최근 기계공학과 조시우 박사, 통합과정 이조한 씨 연구팀이 나노 입자 추적분석을 통해 입자의 개수, 크기, 산란광 밝기 등을 측정하고, 한 걸음 더 나아가 개별 입자가 가진 서로 다른 형광 신호를 측정하는 데 성공했다.

연구팀은 개별 세포 밖 소포의 크기와 단백질 발현의 특성화를 위한 형광 기반 나노 입자 추적 분석(NTA) 시스템을 구축했다. 이 시스템을 통해 4개의 서로 다른 파장을 가진 레이저 시트를 프로그래밍 된 순서에 따라 세포 밖 소포에 순차적 조광해 산란광 신호 이미지와 형광 신호 이미지를 얻었다. 영상을 통해 관측된 수천 개에 달하는 개별 입자의 크기, 존재 비율, 산란광 밝기 등을 관찰하고, 3가지의 서로 다른 형광 밝기로 구성된 6차원 값을 얻을 수 있었다.

또한, 제안된 나노 입자 추적 분석 시스템을 통해 생체 나노 입자 중 하나인 세포 밖 소포(ex.엑소좀*1)가 보유한 특정 단백질의 분포를 개별 입자 단위로 측정했고, 단백질 사이의 연관성을 분석했다.

이 나노 입자 추적법은 분석 도중에 사용자의 눈으로 나노 입자를 관측할 수 있고, 별도의 대조군 없이 샘플 주입 후 바로 개별 또는 전체 나노 입자의 정량적 데이터를 얻을 수 있다. 때문에, 새로운 이미징 기술을 통해 분자 수준에서 세포를 관찰하고, 생명 현상을 이해하는 중요한 단초를 얻을 수 있다.

예를 들어, 모든 형태의 나노 입자를 대상으로 하고 있기 때문에 미세 먼지 등의 환경 모니터링, 바이러스 연구 및 개발을 위한 생체 나노 입자 분석, 다양한 체액 내 나노 입자 분석을 통한 질병 진단과 생체 모니터링에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

박재성 교수는 “이번 연구를 통해 다중 형광 나노 입자 분석 시스템을 개발함으로써 엑소좀의 서로 다른 단백질 간의 연관성을 분석할 수 있게 됐다”며, “앞으로 엑소좀에 관련된 산업과 연구 발전에 크게 기여할 것으로 보인다”고 말했다.

한편, 연구팀은 (주)엑소좀플러스와 협업을 통해 기술지원, 장치 및 실험 재료들을 받았으며, 공동연구를 통해 상용 버전의 출시를 앞두고 있다.

ICT 융합연구단의 중견연구사업, 범부처전주기의료기기연구개발사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지 ‘ACS 나노(ACS Nano)’ 6월 23일자에 게재됐다.
 


1. 엑소좀
인지질 이중층으로 구성된 지름이 50~200 nm 구형의 나노 입자로 세포 간의 신호 전달체이다. 엑소좀은 막에 자신을 특징 지을 수 있는 단백질을 발현하고 있으며 그 내부에는 신호물질인 단백질, RNA 등이 포함되어 있으며 그 특성에 따라서 치료 효과, 암의 전이 등에 중요한 생물학적 역할을 한다고 알려져 있다.