바이오인

핵심내용

 -Small誌 표지논문 발표, 금속 나노 구조칩을 이용한 초고분해능 광학 영상 시스템 -

 □ 머리카락의 10만분의 1미터(나노미터)의 미세한 크기도 분별할 수 있는 초고분해능 광학영상장치가 국내 연구진에 의해 개발되어, 바이러스와 암세포 같은 생체바이오 물질을 보다 명확히 분석할 수 있게 되었다.

 ○ 연세대 김동현 교수(42세)와 김규정 박사(제1저자)가 주도한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 중견연구자지원사업(도약연구)과 선도연구센터지원사업(NCRC)의 지원으로 수행되었고, 연구결과는 나노와 마이크로 과학분야의 권위 있는 학술지인 ‘스몰(Small)'지에 표지논문으로 3월 26일자에 게재되었다.

(논문명 : Nanoscale localization sampling based on nanoantenna arrays for super-resolution imaging of fluorescent monomers on sliding microtubules)

□ 일반적으로 사용되는 기존의 전반사 형광현미경은 수 백 나노미터 크기밖에 분별할 수 없는 한계(회절한계)를 가지고 있다.

   따라서 이 문제를 해결하기 위하여 전 세계 연구팀들은 수십에서 수 나노미터(1/10~1/100) 크기까지 분별할 수 있는 광학영상 장치 개발에 노력해왔다. 

□ 김동현 교수 연구팀은 ‘나노미터 단위의 국소적 샘플링(NLS)’ 방식으로 기존 분해능의 한계를 극복할 수 있는 새로운 광학영상법(선택적 형광영상법)을 개발하는데 성공하였다.

○ 이번 개발에 적용된 ‘나노미터 단위의 국소적 샘플링(NSL)'방식은금속 나노구조칩 표면에 작고 강한 전자기파 핫스팟(hot spot)을 만들어 지나가는 생체분자의 영상 정보를 복원하는 방법으로 기존의 문제점인 회절한계를 극복할 수 있음을 밝혀냈다.

○ 특히 기존에는 고가의 특수 장비 없이는 세포와 단백질 상호작용 현상을 영상화하기 힘들었다. 하지만, 이번에 연구팀이 개발한 장비는  일반 현미경에 자체 제작한 금속 나노구조칩을 접합하는 것만으로 쉽고 간편하게 세포와 단백질 상호작용 현상 등을 관찰하고 영상화할 수 있다는 점이 큰 특징이다.

□ 김동현 교수는 “이번 연구는 자체 제작한 금속 나노 구조칩이 접목된 전반사 형광현미경 시스템을 이용하여 움직이는 바이오 물질의 영상을 수 십 나노미터까지 분별할 수 있다는데 의미가 있다. 이 영상법으로 암세포와 같은 특정 세포와 세포 내에서 움직이는 기질, 또는 단분자 영상화도 가능할 것으로 기대된다”고 밝혔다. 

상세내용

연 구 결 과 개 요

  생체 바이오 물질의 관찰을 통한 기질 특성 연구는 예전부터 의·공학 분야에서 매우 활발하게 진행되었다. 특정 단백질, 바이러스 또는 암세포 등의 생체 바이오 물질을 이미징하고자 할 때, 기존의 전반사 기반 형광 현미경(Total Internal Reflection Fluorescence Micros) 같은 경우 회절 한계(diffraction limit) 로 인한 분해능(resolution) 한계 때문에, 구체적이고 정확한 분석이 어렵다. 최근에는 수십에서 수 나노미터(nano-meter)의 분해능을 얻을 수 있지만, 이는 상당히 고가의 특수 영상장비의 구비를 통해서만 가능하였다.

  수 백 나노미터 사이즈 단위의 주기적 원형 패턴(pattern)으로 이뤄진 금속 나노홀 구조(metallic nano-hole structure)칩을 Electron-beam lithography 방식으로 제작한 후, 일반적으로 사용되는 전반사 형광 현미경 시스템에 접목시키면, 나노홀 표면 근접장 분포(near-field distribution)의 변형과 함께, 매우 강하게 국소화(localization)된 필드(field) 영역, 이른바 핫스팟(hot spot)이 생성된다. 나노구조(nanostructure)가 주기적으로 패턴되었기 때문에 핫스팟도 주기적 형태로 얻을 수 있으며, 이를 이용한 선택적 형광 영상법, 이른바 ‘나노미터 단위의 국소적 샘플링(NLS)' 방식을 통해 수 십 나노미터 크기의 분해능을 갖는 이미지를 얻는데 성공하였다.

  이번 연구에 사용된 바이오 물질은 모터 단백질(motor proteins) 중 하나인 키네신(kinesin)과 2차원 평면상에서 특정 속도를 가지고 자유롭게 이동하는 마이크로튜불(microtubules)로서, 국내에서는 이러한 바이오 물질을 이용한 초고분해능 광학 영상법에 대한 연구의 전례가 많지 않았다는 점에서 큰 의의를 갖는다.

  김동현 교수 연구팀은 나노홀 표면에서 형성되는 핫스팟 커널(kernel)을 이용하여 카메라를 통해 얻어진 마이크로튜불 이미지를 초고분해능 영상으로 복원해냈다. 이 같은 방법의 개발은 전 세계적 관심사인 세포 내 단백질의 동적 움직임 및 기질 분석, 세포와 다른 분자 간, 박테리아 또는 바이러스 간의 상호 작용에 대한 영상화 가능성을 제시한다.

  2010년에도 이 연구팀은 불규칙적으로 제작된 나노섬(nano-island) 구조칩를 이용한 초고분해능 광학 영상 시스템 개발에 대한 연구를 진행하였으며, 당시의 연구 결과는 핫스팟을 이용한 바이오 물질의 영상화 방법으로써 기존 전반사 형광 현미경이 갖는 회절 한계를 극복할 수 있다는 연구 결과를 이미 입증한 바 있다.  

용   어   설   명

1. Small 誌
 ○ 재료, 화학, 공학 등의 융합 영역의 학문분야에서 나노기술 관련 논문들을 출판하는 세계적으로 권위 있는 학술지이다. 특히 피인용지수(Impact Factor)가 2010년 기준 7.336이다. 전 과학 분야에서 상위 5% 이내에 랭크되는 학술지로, 융합(Multidisciplinary) 분야에서 8.8%(13위/147개) 이내에 든다.

2. 전반사 형광 현미경(Total internal reflection fluorescence micros)
 ○ 빛이 전반사 조건으로 입사될 때, 매질 사이 경계면으로부터 100 nm ~ 200 nm 내에 그 크기가 지수 함수적으로 감소하며 존재하는 필드 영역을 '소실파(Evanescent wave)'라고 한다. 전반사 형광 현미경이란, 이러한 소실파가 존재하는 영역을 이용하여 형광 시료로 염색된 물질을 관찰하고 영상을 얻을 수 있는 현미경 장치이다.

3. 회절 한계(diffraction limit)
 ○ 관찰하고자 하는 두 물체간의 간격이 현미경에서 사용하는 광원의 반파장 크기 이하에 해당되면, 현미경의 광학 렌즈를 통해서 우리는 두 물체가 서로 다른 것임을 구분할 수 없으며, 하나의 물체로 인식할 수밖에 없게 되는데, 이를 광학적 회절 한계(diffraction limit)라 일컫는다.

4. 분해능(resolution)
 ○ 분해능(resolution) 또는 해상도란 서로 떨어져 있는 두 물체를 구별할 수 있는 최소 거리를 의미하며, 광학적 회절 한계로 인해 분해능에도 한계가 존재하게 된다. 하지만, 전 세계적으로 이러한 분해능 한계를 극복하고 더 작고 미세한 것을 보기 위한 연구가 현재도 활발하게 이뤄지고 있다.

사   진   설   명

그림 1. 본 연구의 주요 연구 결과 그림.

[그림 설명] 나노홀 어레이 구조를 이용하여 나노미터 크기의 핫스팟을 형성한다. 마이크로튜뷸 분자는 표면에 고정된 모터 단백질인 키네신 상에서 움직이는데, 핫스팟으로 마이크로튜뷸 분자를 샘플링하는 방법으로 나노미터급 초고분해능의 분자영상을 구현하였다.