100억분의 1m((nm), 生세포 관찰 전자현미경 나왔다
100억분의 1m((nm), 生세포 관찰 전자현미경 나왔다
  • 김강중 기자
  • 승인 2020.07.02 15:14
  • 댓글 0
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신소재 그래핀 이용, 분자단위 고화질 실시간 관찰 가능
KAIST 연구팀이 세계 최초로 포착한 살아 있는 대장균 세포 이미지(오른쪽). 그래핀 액상 셀을 이용한 대장균 세포 관찰 방법(왼쪽) / KAIST 제공
KAIST 연구팀이 세계 최초로 포착한 살아 있는 대장균 세포 이미지(오른쪽). 그래핀 액상 셀을 이용한 대장균 세포 관찰 방법(왼쪽) / KAIST 제공

차세대 신소재 그래핀을 활용해 수백 나노미터 이하 크기의 살아있는 세포나 바이러스를 관찰할 수 있는 전자현미경이 국내 연구팀에 의해 개발됐다.

KAIST 신소재공학과 육종민 교수, 경북대 ITA 융합대학원 한영기 교수 공동연구팀은 살아 있는 세포를 전자현미경을 통해 실시간으로 관찰하는 데 성공했다는 것.

이번 연구를 통해 다양한 세포의 실시간 분자단위 관찰이 가능해져 그동안 관찰하지 못했던 살아 있는 세포의 전이·감염에 관한 전 과정을 규명할 수 있게 됐다.
이를 통한 신약개발에도 도움이 될 것으로 기대된다.

신소재공학과 구건모 박사과정이 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 `나노 레터스' 5월 5일자 온라인판에 게재됐다. 지난 6월호 표지논문으로 선정됐다.

전 세계적으로 대유행하고 있는 코로나바이러스감염증(COVID-19) 등은 수십~수백 나노미터(nm, 1나노미터는 100만분의 1밀리미터) 크기의 바이러스로 인해 일어나는 질병이다.

바이러스의 전이·감염 과정을 분석하고 이에 대처하는 신약개발을 위해서는 바이러스의 미시적인 행동을 실시간으로 관찰하는 것이 매우 중요하다.

그러나 전자현미경 기술은 효율적인 작동을 위해 매우 강력한 진공상태가 필요하다. 또 가시광선보다 수천 배 이상 높은 에너지를 가지는 전자를 이용한다는 한계가 있다.

이로 인해 세포관찰 시 구조적인 손상이 불가피하고 현 기술로는 극저온 전자현미경을 통해 고정 작업 및 안정화 작업을 거친 표본만 관찰이 가능하다.

최근 학계에서는 사멸해 고정된 것이 아닌 온전한 상태의 살아 있는 세포 등 다양한 생체물질을 전자현미경을 이용해 분자단위로 관찰 가능한지에 대한 논쟁이 일고 있다.

 

KAIST 신소재공학과 육종민 교수
KAIST 신소재공학과 육종민 교수, 경북대 ITA 융합대학원 한영기 교수, KAIST 신소재공학과 구건모 박사

육 교수 연구팀은 지난 2012년 개발한 그래핀 액상 셀 전자현미경 기술을 응용해 전자현미경으로도 살아있는 대장균 세포를 관찰하는데 성공했다.
이를 재배양시킴으로써 전자와 진공에 노출됐음에도 불구하고 대장균 세포가 생존한다는 사실을 밝혀냈다.

육 교수 연구팀이 이번 연구에서 활용한 그래핀은 층상구조인 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.

이 연구팀은 이러한 그래핀 성질을 이용해 세포 등을 액체와 함께 감싸주면 고진공의 전자현미경 내부에서 탈수에 의한 세포의 구조변화를 막아줄 수 있음을 밝혀냈다.

또 그래핀이 전자빔에 의해 공격성이 높아진 활성산소들을 분해하는 효과도 지니고 있어 그래핀으로 덮어주지 않은 세포보다 100배 강한 전자에 노출되더라도 세포가 활성을 잃지 않는다는 결과를 확인했다.

육 교수는 "이번 연구결과는 세포보다 작은 단백질이나 DNA의 실시간 전자현미경 관찰로까지 확대될 수 있다ˮ며 "앞으로 다양한 생명현상의 기작을 근본적으로 밝힐 수 있을 것이라 기대한다ˮ고 밝혔다.

한편 이번 연구는 삼성전자 미래기술육성센터가 지원했다.


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