바이오인

출처 : 융합연구정책센터

차세대 바이오전자코, 조직팽창 기술

 고휘진, 박태현, 장재범

냄새를 보다, 차세대 바이오 전자코 기술

오래전부터 후각은 인간 생활에 있어서 매우 중요한 역할을 해왔다. 냄새를 통해서 음식의 신선함과 부패함 뿐만 아니라 향과 악취를 구분하고 때로는 화재와 같은 위험한 상황을 인지한다. 2004년에 후각의 기작을 연구한 공로를 인정받아 미국의 Linda Buck(워싱턴대)과 Richard Axel(컬럼비아대)에게 노벨생리의학상이 수여되었고, 이를 계기로 많은 연구자들이 후각의 근본적인 연구 뿐만 아니라 후각의 기능을 모사하는 후각센서 연구에 뛰어들었다. 최근에는 넓은 영역에 걸친 잠재적 응용 가능성으로 인해서 더 많은 연구그룹들이 후각을 모사하는 인공 센서에 대한 연구를 시작하였다.1-7)

기존의 전자코와 같은 경우는 화학적 소재를 사용하여서 민감도는 뛰어나지만 사용될 수 있는 화학적 소재 종류의 한계로 인해서 다양한 물질에 대한 선택성이 떨어졌다. 이러한 전자코는 나노테크놀로지 기술에 기반을 두고 있는데 최근 들어서 이처럼 민감도는 뛰어나지만 분석물질에 대한 선택도가 떨어지는 단일벽 탄소나노튜브 전계효과 트랜지스터 기반의 센서 소자의 단점을 생물학적 소재를 통해 극복하기 위한 연구가 진행되고 있다. 특히, 후각에서 냄새를 구별하는 중요한 역할을 하는 다양한 형태로 제작된 후각 수용체를 사용하는 바이오전자코(bioelectronic nose)에 대한 연구는 후각의 기능을 모사하는 최초의 바이오센서의 개발이라는 점과 인간의 후각이 in vitroⅰ) 에서 실현된다는 점에서 큰 의의를 갖는다. 또한 생물학 분야와 나노기술 분야의 융합을 통해 기존에 전자코와 같은 센서들이 가지는 민감도라는 장점과 후각 수용체가 가지는 높은 선택도라는 장점을 접목한 새로운 개념의 바이오센서라는 점에서 중요한 의미를 가지게 된다. 구별능력이 뛰어난 후각 수용체의 사용과 더불어 최근나노기술의 발전은 바이오전자코의 성능을 급속도로 향상시켰다.

바이오전자코는 크게 두 부분으로 이루어지는데 하나는 1차 신호전달자(primary transducer)이고 다른 하나는 2차 신호전달자(secondary transducer)이다. 1차 신호전달자는 바이오전자코의 선택도를 담당하는 부분으로 냄새분자를 인지하는 생물학적 부분(biological part)이고, 2차 신호전달자는 바이오전자코 의 감도를 결정하는 비 생물학적 부분(non-biological part)이다. 1차 신호전달자로는 세포(cell), 단백질(protein), 나노베시클(nanovesicle), 펩타이드(peptide)와 같은 생물학적 재료들이 사용되고, 2차 신호전달자로는 미세전극(microelectrode), 표면 플라즈몬 공명(surface plasmon resonance; SPR), 수정 진동자 저울(quartz crystal microbalance; QCM), 단일벽 탄소나노튜브 전계효과 트랜지스터(single-walled carbon nanotube-field effect transistor; swCNT-FET), 카르복실화된 폴리피롤 나노튜브 전계효과 트랜지스터(carboxylated polypyrrol nanotube-field effect transistor; CPNT-FET), 그래핀 기반의 전계효과 트랜지스터(graphene-based field effect transistor)와 같은 다양한 나노소자들이 사용된다.3-11)

이처럼, 바이오전자코의 성능은 바이오소자와 나노소자를 접목함으로써 상당히 향상되었고, 이러한 바이오전자코의 발달을 통해서 질병의 진단, 식품산업, 향과 관련된 산업, 환경오염의 모니터링, 폭발물 및 위험물 감지를 통한 대테러 및 공공안전과 같은 분야에서 매우 유용하게 사용될 뿐 아니라, 바이오전자코를 이용한 냄새의 시각화 및 표준화를 통해서 멀지 않은 미래에 후각에 대한 전 세계 표준을 확립할 수 있는 계기를 마련할 것으로 기대된다.<그림 1>

20배 팽창시켜 뇌를 관찰하다, 초미세구조 관찰 기술

지난 17세기 현미경이 처음으로 개발된 이래로 현미경은 눈으로는 볼 수 없었던 다양한 생명현상을 볼 수있게 해줌으로써 생명과학 및 의학의 발전에 큰 기여를 했다. 지난 300년간 현미경의 성능을 개량하기 위한 다양한 시도가 있었는데, 특히 그 중에서도 해상도를 좀 더 높이기 위한 많은 연구들이 진행되었다. 해상도는 구별이 가능한 두 물체 사이의 최소 거리를 의미한다. 19세기 빛의 파동적 성질이 알려지고 회절에 대한 이론적인 연구가 이루어진 이후, 현미경의 해상도에는 물리적인 한계가 있다는 것이 알려졌다. 일반적으로 광학 현미경의 해상도는 그 파장에 비례하여 사용하는 빛의 파장이 짧을수록 해상도는 올라가게 된다. 현재 광학 현미경의 해상도는 200 ? 250 nm 으로, 이는 두 점이 200 nm 보다 가까이 붙어 있는 경우 두 점인지 하나의 큰 점인지 구별하기 어렵다는 것을 의미한다.1)<그림 1>

지난 2014년 노벨 화학상은 현미경의 물리적 해상도 한계를 뛰어넘는 방법의 개발에 기여한 세 명의 과학자(Eric Betzig, Stefan Hell, William Moerner)에게 주어졌다. 이 세 명의 과학자가 개발한 방법은 크게 두가지로, 하나는 Stimulated emission depletion (STED) micros이고,2) 다른 하나는 Photoactivated localization micros (PALM)이다.3),4)

 이 두 기법은 서로 전혀 다른 접근법을 사용하였지만 그 기본 원리는 같다. 위의 <그림 1>로 다시 돌아가보자. 그림 1(A-C)에서는 두 점이 모두 동시에 빛을 내고 있어서 두점의 거리가 가까운 경우 이 두 점을 구별하기가 어려웠다. 그런데 만약 두 점이 시간차를 두고 빛을 내도록 만들 수 있다면 어떨까. 왼쪽 점이 먼저 빛을 내고 오른쪽 점이 그 다음에 빛을 낸다고 가정해보자. 이 두점을 현미경으로 관찰한다면 처음에는 왼쪽 점에서 나온 빛이 관찰될 것이고, 그 다음에 오른쪽 점에서 나온 빛이 관찰될 것이다. 만약 우리가 이 두 번 관찰된 빛의 중심점을 아주 정확하게 측정할 수 있다면, 두 빛이 서로 다른 위치에 있는 두 점에서부터 나왔다는 것을 알 수 있을 것이다. STED에서는 매우 정교한 광학장치를 사용하여 한번에 아주 작은 영역(20-50 nm)에서 나오는 빛만을 포집한다.2) 따라서 관찰하고자 하는 시료를 아주 작은 영역들로 나눈 후 한번에 하나의 영역씩 관찰하여 초고해상도를 얻는다. PALM에서는 시료를 화학적으로 처리하여 시료 내부의 빛을 내는 형광 단백질들이 연속적으로 빛을 내지 않고 깜박거리도록 만든다.4) 그 후 현미경으로 시료를 관찰하면서 동영상을 얻은 후 각 프레임을 분석하여 형광 단백질들의 위치를 계산해서 기존의 방법으로는 두 개인지 하나인지 구별할 수 없었던 두 형광 단백질을 구별해낼 수 있게 된다3). STED, PALM과 거의 동시에 개발된 또 다른 대표적인 초고해상도 이미징 기법인 Stochastic Optical Reconstruction Micros (STORM)은 PALM과 같은 원리를 사용하는데, 이 때 형광단백질이 아닌 형광분자들을 사용한다.5) <그림 2>

최근 시료 자체를 물리적으로 팽창시켜 일반 현미경으로 고해상도를 얻을 수 있는 방법들이 발표되고 있다.7?12) 시료를 물리적으로 팽창시키기 위해서는 물 속에서 스스로 팽창하는 하이드로젤(hydrogel)이 사용된다. 하이드로젤 네트워크를 시료 내부에 만들고, 하이드로젤-시료 복합체를 물속에 넣어 팽창시킬 수 있다. 이 때 하이드로젤이 팽창하면서 시료 내부에 있는 분자들을 밀어내서 분자들 간의 거리가 멀어지게 된다. 따라서 팽창 전에는 해상도 보다 가까이 붙어 있어 일반 현미경으로 구별할 수 없었던 미세구조들도 팽창 후에는 구별할 수 있게 된다.7) <그림 3>은 실험용 장갑과 장갑 겉에 그려진 그림으로 이러한 시료 팽창이 어떤 장점이 있는지 보여준 그림이다. 실험용 장갑 표면에 미세한 그림을 그리고 장갑에 바람을 불어넣어 장갑을 팽창시켜주면, 팽창 전에는 잘 보이지 않았던 미세한 그림들이 팽창 후 선명하게 잘 보이는 것을 알 수 있다.

이 글에서는 다양한 시료 팽창 방법들에 대해서 소개하고 이런 방법들이 어떻게 쓰일 수 있는지에 대해서 소개한다.

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