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살아 있는 세포 전자현미경 관찰 가능 성공

KAIST, 살아 있는 세포의 고분해능 전자현미경전자현미경 관찰 가능성 열어성공

차세대 신소재 그래핀 이용, 분자 단위 고화질 실시간 관찰이 가능해져

신약 개발 위해 바이러스의 미시적인 행동 실시간 관찰 매우 중요

국제 학술지 나노 레터스(Nano Letters) 6월호 표지논문 선정

 

KAIST 신소재공학과 육종민 부교수, 경북대학교 ITA융합대학원 한영기 조교수, KAIST 신소재공학과 구건모 박사과정 (좌로부터)

살아있는 세포를 실시간으로 관찰하기 위해서는 레이저 주사 공초점 현미경 기술 (CLSM) 등의 광학기술을 이용하여 수백 나노미터 (머리카락 굵기의 대략 1000 분의 1) 수준의 해상력으로 관찰해야 한다. 이는 마이크론 크기 이상의 (머리카락 굵기의 100분의 1) 생체 조직이나 단세포 단위의 관찰에는 적합하지만, 더욱 미세한 세포 내 기관이나 바이러스와 같은 구조를 관찰하기에는 부족한 점이 있다.

따라서 더 미세한 구조를 관찰하기 위해서는 살아있는 세포를 박편형태로 가공하거나, 손상되기 쉬운 부분을 금속 등의 물질로 대체하여 매우 높은 에너지와 해상도를 가지는 전자현미경을 이용해서 관찰해야만 한다. 하지만 기존의 전자현미경 기술은 세포를 살아있는 상태로 관찰하는 것이 아닌 가공된 상태로만 관찰이 가능해서, 이를 극복하는 기술이 필요하다.

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

KAIST(한국과학기술원)는 신소재공학과 육종민 교수 연구팀이 경북대학교(총장 김상동) ITA 융합대학원 한영기 교수 연구팀과 공동연구를 통해 살아 있는 세포를 전자현미경을 통해 실시간으로 관찰하는 데 성공했다고 밝혔다.

이번 연구를 통해 살아 있는 다양한 세포의 실시간 분자 단위 관찰이 가능해져, 그동안 관찰하지 못했던 살아 있는 세포의 전이·감염에 관한 전 과정을 규명할 수 있게 돼 신약 개발 등을 더욱 촉진할 수 있을 것으로 기대된다.

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

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

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

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

최근 학계에서는 사멸해 고정된 것이 아닌 온전한 상태의 살아 있는 세포등 다양한 생체물질을 전자현미경을 이용해 분자 단위로 관찰 가능한지에 대한 논쟁이 전개되고 있다. 육 교수 연구팀은 지난 2012년 개발한 그래핀 액상 셀 전자현미경 기술을 응용해 전자현미경으로도 살아있는 대장균 세포를 관찰하는데 성공했고, 이를 재배양시킴으로써 전자와 진공에 노출됐음에도 불구하고 대장균 세포가 생존한다는 사실을 밝혀냈다.

육 교수 연구팀이 이번 연구에서 활용한 그래핀은 층상 구조인 흑연에서 분리하는 등의 방법으로 얻어내는 약 0.2 나노미터(nm) 두께의 원자 막이다. 여러 분야에서 차세대 소재로 주목받고 있는 그래핀은 강철보다 200배 강한 강도와 높은 전기 전도성을 가지며, 물질을 투과시키지 않는 성질을 가진다. 육 교수 연구팀은 이러한 그래핀 성질을 이용, 세포 등을 액체와 함께 감싸주면, 고진공의 전자현미경 내부에서 탈수에 의한 세포의 구조변화를 막아줄 수 있음을 밝혀냈다. 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 확인했다.

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.

육 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 기대한다ˮ고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 삼성전자 미래기술육성센터의 지원을 받아 수행됐다.

신소재공학과 구건모 박사과정이 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 `나노 레터스(Nano Letters)' 5월 5일 字 온라인판에 게재됐으며 6월 호 표지논문으로 선정됐다. (논문명: Live-Cell Electron Microscopy Using Graphene Veils)

KAIST 홍보실 제공 

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