[과학을 품다] “세포, 살아 있네”
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[과학을 품다] “세포, 살아 있네”
  • 정종오 기자
  • 승인 2020.06.29 17:47
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카이스트 연구팀, 전자현미경으로 살아 있는 세포 실시간 관찰
일반 전자현미경 기술을 이용해 관찰한 죽은 세포(위쪽)와 그래핀 액상 셀을 이용해 관찰한 살아 있는 세포의 주사전자현미경 이미지.[사진=카이스트]
일반 전자현미경 기술을 이용해 관찰한 죽은 세포(위쪽)와 그래핀 액상 셀을 이용해 관찰한 살아 있는 세포의 주사전자현미경 이미지.[사진=카이스트]

국내 연구팀이 ‘살아 있는 세포’를 실시간 관찰하는 데 성공했다. 분자 단위에서 고화질 실시간 관찰이 가능해져 신약 개발 등에 응용할 수 있을 것으로 기대된다. 강철보다 200배 강하고, 물질을 효과적으로 차단할 수 있는 그래핀 박막을 이용했다. 액체와 함께 감싸는 그래핀 액상 셀 기술을 활용해 살아 있는 세포를 전자현미경으로 관찰하는 기술이다.

카이스트(KAIST) 신소재공학과 육종민 교수 연구팀이 경북대 ITA 융합대학원 한영기 교수 연구팀과 공동연구를 통해 살아 있는 세포를 전자현미경을 통해 실시간으로 관찰하는 데 성공했다.

이번 연구를 통해 살아 있는 다양한 세포의 실시간 분자 단위 관찰이 가능해졌다. 그동안 관찰하지 못했던 살아 있는 세포의 전이·감염에 관한 전 과정을 규명할 수 있게 돼 신약 개발 등에서 더욱 탄력을 받을 것으로 전망된다.

전 세계적으로 대유행하고 있는 코로나19(COVID-19) 등은 수십~수백 나노미터(nm, 1 나노미터는 100만 분의 1밀리미터) 크기의 바이러스로 일어나는 질병이다. 바이러스의 전이·감염 과정을 분석하고 이에 대처하는 신약 개발을 위해서는 바이러스의 미시적 행동을 실시간으로 관찰하는 것이 매우 중요하다.

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

전자현미경 기술은 효율적 작동을 위해 매우 강력한 진공 상태가 필요하다. 또 가시광선보다 수천 배 이상 높은 에너지를 가지는 전자를 이용하기 때문에 관찰할 때 세포의 손상이 불가피하다. 현재로서는 2017년 노벨화학상을 수상한 기술인 극저온 전자현미경을 통해 고정 작업과 안정화 작업을 거친 표본만 관찰이 가능하다.

최근 학계에서는 사멸해 고정된 것이 아닌 온전한 상태의 살아 있는 세포 등 다양한 생체물질을 전자현미경을 이용해 분자 단위로 관찰 가능한지에 대한 논쟁이 전개되고 있다. 육 교수 연구팀은 2012년 개발한 그래핀 액상 셀 전자현미경 기술을 응용해 전자현미경으로도 살아 있는 대장균 세포를 관찰하는 데 성공했다. 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 이 그래핀 성질을 이용, 세포 등을 액체와 함께 감싸주면 고진공의 전자현미경 내부에서 탈수에 의한 세포의 구조변화를 막아줄 수 있음을 밝혀냈다.

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.

육 교수는 "이번 연구결과는 세포보다 더 작은 단백질이나 DNA의 실시간 전자현미경 관찰로까지 확대될 수 있다”며 “앞으로 다양한 생명 현상의 여러 과정을 근본적으로 밝힐 수 있을 것으로 기대한다ˮ고 말했다.

신소재공학과 구건모 박사과정이 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 `나노 레터스(Nano Letters)' 6월 호 표지논문(논문명: Live-Cell Electron Microscopy Using Graphene Veils)으로 실렸다.

이번 연구에 사용된 그래핀 액상 셀을 이용한 세포 관찰 방법에 대한 모식도와 이를 이용해 관찰한 살아 있는 세포의 주사전자현미경 이미지. [사진=카이스트]
이번 연구에 사용된 그래핀 액상 셀을 이용한 세포 관찰 방법에 대한 모식도와 이를 이용해 관찰한 살아 있는 세포의 주사전자현미경 이미지. [사진=카이스트]

 

 

정종오 기자  science@greened.kr

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