바이오및뇌공학과 박지호 교수

- 실제 내시경보다 10만배 작은 나노와이어기반 세포내시경 개발
- 세포내 생물학적 현상을 관찰해 질병을 효과적으로 치료할 수 있게 될 것
- 연구 우수성 인정받아 네이처 나노테크놀로지 12월호 온라인 판 게재

KAIST(총장 서남표)는 바이오 및 뇌공학과 박지호 교수 연구팀이 미세한 빛을 주고받을 수 있는 광학 나노와이어를 이용해 세포내에서 나오는 미세한 광학신호를 세계 최초로 검출하는 데 성공했다고 10일 밝혔다.

이 기술개발로 사람의 내장 장기를 직접 관찰하는 내시경처럼 세포의 손상 없이 고해상도로 세포 내부를 관찰할 수 있게 됐다. 이에 따라 세포 내에서 일어나는 미세한 생물학적 현상을 연구해 질병을 보다 효과적으로 치료할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

그동안 배양된 세포를 관찰하는 데는 광학적 회절한계를 극복하는 초고해상도 현미경을 사용해왔다. 그러나 이 경우 매우 복잡하고 거대한 시스템이 필요하기 때문에 생체 내 불투명한 부위에 위치한 세포를 실시간 관찰하기에는 역부족이었다.

박 교수 연구팀이 개발한 광학 나노와이어는 지름이 100나노미터(1나노미터는 10억분의 1m)로 세포에 삽입해도 손상되지 않을 만큼 작게 만들었으며 재료는 빛이 잘 통과하는 주석산화물로 구성된 반도체를 사용했다.

연구팀은 자체개발한 광학 나노와이어를 빛의 송수신에 많이 사용되는 광섬유 끝에 연결해 광섬유로부터 나오는 빛이 나노와이어를 통해 세포 내 특정부위에 전달되고, 또한 세포에서 나오는 광학신호를 검출하는 데 성공했다.

이와 함께 연구팀은 나노와이어에 세포가 손상되지 않는 것에 착안해 나노와이어의 끝에 빛에 반응하는 물질을 입히고 이를 세포에 삽입했다. 그런 다음 빛을 전달하면 그 물질이 빛에 반응해 세포내로 침투하는 것을 확인했다. 따라서 약물을 세포 내 특정부위에 효과적으로 전달해 치료목적으로도 이용할 수 있는 가능성을 제시했다.

박지호 교수는 "이번 연구에서는 생체 외에서 배양된 세포에만 적용했지만 곧 이 기술을 생체 내에 위치하는 특정세포를 아주 미세하게 광학적으로 자극하고 조정할 수 있게 될 것“이라며 ”앞으로 생체 내 특성부위의 세포 안에서 일어나는 생물학적 현상을 연구해 질병을 효과적으로 치료하는 데 활용될 수 있을 것"이라고 강조했다.

이번 연구 결과는 세계적 권위의 나노기술 학술지인 '네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)' 12월 18일자 온라인 판에 게재됐다.

한편, 이번 연구는 다학제간 협력을 통해 수행됐으며, KAIST 박지호 교수를 비롯해 생명화학공학과 양승만 교수와 허철준 박사, 고려대학교 생체의공학과 최연호 교수, UC 버클리대 화학과 페이동 양(Peidong Yang) 교수와 류슈에 얀(Ruoxue Yan) 박사 및 바이오공학과 루크 리(Luke Lee) 교수가 참여했다고 KAIST는 밝혔다.

※부가설명

반도체 나노와이어는 그들의 일차원적인 극미세 세계에서 일어나는 특이한 전기적 현상을 이용하여 초미세/고효율 전자기계부품으로 활용하기 위해서 현재 활발히 연구되고 있다. 이러한 전기적 특성뿐만 아니라 특정 반도체 나노와이어에서는 기존의 일반 광학재료에서 볼 수 없는 특이한 광학적 현상도 일어난다. 이번 연구에서는 이러한 미세 광학적 신호를 전달할 수 있는 나노와이어를 이용하여 세포 속을 최초로 관찰한 것이다.

연구팀은 백 나노미터 정도의 지름을 가지고 수십 마이크로 길이의 주석산화물 나노와이어를 합성하고 이를 식각(etching)된 광섬유 끝에 연결하여 광섬유로부터 나오는 가시광선 빛이 서브파장정도로 나노와이어를 통하여 전달되는 “나노와이어기반 세포내시경(나노내시경)”을 개발하였다. 이러한 나노내시경은 미세한 지름 및 높은 종횡비에도 불구하고 유연하면서 튼튼하다. 또한 일반적인 실리콘 나노와이어에 비교하여 본 연구에서 사용한 주석산화물 나노와이어는 그들의 높은 굴절률(refractive index) 때문에 공기 중뿐만 아니라 수용액 내에서 자외선 및 가시광선 빛을 나노와이어를 통하여 전달하는 능력이 훨씬 뛰어나다.

이번 연구에서는 이러한 나노내시경을 이용하여 세포내 특정부위로 빠르게 형광나노물질인 양자점(quantum dot)을 전달하고 이렇게 전달된 양자점을 나노내시경으로 전달되는 미세한 빛으로 고해상도로 영상화할 수 있었다. 또한 세포내에 위치한 양자점에서 나오는 미세한 형광신호를 세포내 삽입된 나노내시경을 통하여 실시간 정밀하게 검출할 수 있었다.

나아가 나노내시경을 이용하여 세포내 중요한 소기관인 단일 미토콘드리아를 영상화하는데 성공하였다.

이러한 나노내시경은 세포내 삽입 및 조명시 세포막 및 세포기능에 손상을 주지 않는 것으로 밝혀졌다.

※사진설명

나노내시경이 단일 암세포내를 탐지하는 사진

나노내시경을 통하여 세포내 특정부위로 양자점나노입자(적색 점)가 빠르게 전달된 살아있는 단일 암세포(세포막은 녹색선)를 보여주는 형광공초점 사진

나노내시경에서 나오는 미세한 가시광선 빛을 통하여 형광엽색된 암세포내단일 미토콘드리아를 관찰하는 사진

(a: 세포내 형광염색된 미토콘드리아들(흰색점들)을 나타내는 사진, b: 나노내시경이 단일 미토콘드리아 부근에 위치한 사진, c: 나노내시경을 통하여 단일 미토콘드리아(흰색 점)를 형광 영상화하는 사진)

나노내시경 모식도와 사진 (a: 나노내시경 모식도. 식각된 광섬유 끝에 나노와이어를 접합하고 가시광선 빛을 전달하는 그림, b: 제조된 나노내시경 끝에서 빛(노란색 화살표)이 전달되어 나오는 사진, c: 텅스텐 바늘로 나노내시경을 구부려도 전달되는 빛(노란색 화살표)에 손상이 없는 사진. 눈금은 50 μm)