국내 연구진이 나노화학과 머신러닝을 이용해 세포막의 상 분리 현상을 관찰할 수 있는 광학 현미경 분석 기술을 개발했다. 이 기술을 통해 세포막 위의 나노환경을 정확히 분석, 질병 메커니즘 연구와 진단 기술에 크게 기여할 것으로 기대된다. 

DGIST(대구경북과학기술원, 총장 국양)는 21일 "화학물리학과 서대하 교수 연구팀이 세포막에서 발생하는 미세한 '상 분리' 현상을 관찰할 수 있는 새로운 광학현미경 분석 기술인 'lipid-MAP'을 개발했다"면서 "해당 기술은 기존 현미경 기술과 나노화학, 머신 러닝 기술을 결합한 새로운 기술로, 단일 분자 수준에서 세포 신호 조절 방식을 탐색하는데 중요한 실험 전략을 제공할 것으로 보인다"고 밝혔다.

'상 분리'란 두 가지 이상의 구성물질이 혼합되어 있는 물질계가 온도, 압력, 조성 등의 변수의 변화로 두 상으로 갈라지는 현상을 말한다. 
 

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▲  금 나노입자의 이동성 분석을 통한 지질막 상분리 현상 분석. 금 나노입자의 이동 속도를 분석함으로서, 세포막 위에 존재하는 나노수준의 숨은 영역을 조사할 수 있다.
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우선, 연구팀의 이번 연구는 '세포'에서 시작한다. 세포는 모든 생명체의 기본 구성 단위로, 그 외부는 세포막으로 둘러 싸여져 있다. 그리고 세포막에는 나노 크기의 미세한 섬 형태의 지질 구조가 존재하는데, 이러한 섬 구조는 생체 분자 간의 상호작용, 화학 반응 및 신호전달에 결정적인 역할을 한다. 

그러나 이들 구조는 그 크기가 매우 작고 지속 시간이 짧아 기존 관찰 방법으로는 직접 관찰하기 어렵다는 문제가 존재했다. 이에 서대하 교수팀이 이를 극복하고 '금 나노 탐침과 머신러닝 기술'을 활용해 '나노 수준의 구조 성질을 정량적으로 파악'하는데 성공한 것이다. 

서 교수팀은 "금 나노입자는 '표면 플라즈몬(전자 혹은 양공 밀도 진동, 즉 플라즈마 진동의 양자(quantum)를 지칭함)' 공명 현상을 통해 매우 밝게 빛을 산란시키는 특성을 가지고 있다"면서 "이런 특성을 활용해 금 나노입자를 지질 분자에 결합하여 단일 분자 수준의 움직임을 직접 관찰할 수 있는 시스템을 구현했다"고 설명했다. 

이어 "머신러닝 알고리즘을 활용한 분석 기술을 도입하여 지질 분자가 보이는 짧은 순간(0.01초 ~ 0.1초)에 발생하는 이동성 변화를 감지하고, 이를 통해 세포막 위의 미세한 상 분리 구조를 파악하는데 성공했다"고 덧붙였다. 

서 교수팀에 따르면 '지질 뗏목'이라고도 표현하는 '미세 지질 섬 구조'는 주로 콜레스테롤과 포화 지질이 국소적으로 모여 구성된다고 한다. 이번 연구를 통해 세포막의 분자 조성에 따라 그 구조의 크기와 특성이 결정된다는 사실을 확인하고, 이들이 세포막에서 콜레스테롤 함량이 변하거나 다양한 환경 요인에 따라 변화할 수 있다는 점을 밝혀내는 성과를 연구팀이 거뒀다. 

서대하 교수는 "본 연구는 지질 뗏목을 실시간으로, 넓은 범위에서 이미징하는 최초 기술이라 그 시공간 분해능(두 물체를 구별할 수 있는 최소 거리로서, 광학 현미경의 성능을 나타내는 척도)이 매우 우수하다"면서 "이번 연구 결과가 향후 세포 기능, 질병 원리의 근본적인 이해에 기반이되고, 질병의 정밀 진단 기술로 발전하기를 기대한다"고 말했다. 

한편, 이번 연구는 DGIST 뉴바이올로지학과 이종찬 교수팀(초고분해능 이미징 연구)과 공동으로 수행했으며, 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 중견연구자지원사업, 바이오의료기술개발사업, DGIST D-GRIP 사업의 지원을 받아 수행됐다. 

연구 결과는 분석 화학분야 우수 국제 학술지인 < Analytical Chemistry >에 2023년 10월 표지 논문(Supplementary Cover)으로 게재됐다. 
 

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▲  사진 오른쪽부터 DGIST 화학물리학과 서대하 교수, 박지성 석박사통합과정생
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