광주과학기술원(GIST·총장 임기철)은 정현호 전기전자컴퓨터공학과 교수와 송영민 한국과학기술원(KAIST) 전기 및 전자공학부 교수팀이 공동으로 별도 염색 처리 없이 살아있는 세포 내부 구조를 실시간으로 관찰할 수 있는 나노광학 이미징 기술을 개발했다고 11일 밝혔다.
세포 내부 구성 요소의 분포와 변화를 정확히 파악하는 것은 생명 현상과 질병의 원인을 이해하는 데 필수적이다. 하지만 살아있는 세포는 대부분 투명해 일반 광학현미경으로는 내부 구조를 구분하기 어렵다. 특정 구조에 형광물질을 붙여 관찰하는 염색 기술을 널리 사용해 왔지만 세포에 형광물질을 처리하는 별도의 준비 과정이 필요하다. 관찰 과정에서 형광 신호가 약해지거나 세포가 손상될 수 있어 실시간 관찰에는 한계가 있다.
최근에는 플라즈모닉 메타표면을 활용한 나노광학 기반 무염색 세포 이미징 기술이 주목받고 있으나, 빛을 감지할 수 있는 범위가 세포 표면 부근에 한정돼 세포 내부 구조를 관찰하는 데는 제약이 있다.
연구팀은 세포 내부 소기관들이 서로 다른 광학적 특성을 가진다는 점에 착안해 '올리고머(oligomer) 구조'를 적용한 새로운 플라즈모닉 메타표면을 개발했다. 올리고머 구조를 적용해 빛을 감지하는 영역을 기존보다 크게 확장함으로써 기존 기술로는 관찰이 어려웠던 세포막 너머의 세포 내부 구조까지 감지할 수 있게 됐다. 감지한 구조는 서로 다른 색 변화로 나타나 별도의 염색 과정 없이도 세포 내부 정보를 직관적이고 정량적으로 분석할 수 있다.
올리고머 구조를 적용한 플라즈모닉 메타표면을 이용해 별도의 화학 처리 없이 동물 세포(COS-7)를 관찰했으며, 형광 염색 이미지와의 비교로 세포 내부 구조를 관찰할 수 있는 기술의 유효성을 확인했다. 1초의 1000분의 1에 해당하는 밀리초(㎳) 단위의 영상 촬영을 통해 살아있는 세포 내부 소기관의 움직임을 실시간으로 시각화하는 데도 성공했다. 세포를 손상시키지 않은 상태에서 실시간 관찰이 가능함을 확인했다.
이번에 개발한 나노광학 이미징 기술은 살아있는 세포의 상태를 자연 그대로 관찰할 수 있어 병리 진단, 신약 개발, 세포 대사 연구 등 다양한 생명과학·의생명 분야에 활용될 것으로 기대한다.
정현호 교수는 “세포 내부를 라벨이나 염색 없이 실시간·정량적으로 관찰할 수 있다는 점이 중요하다”며 “복잡한 염색 과정을 크게 줄이면서도 살아있는 세포의 동적 정보를 얻을 수 있어 다양한 바이오 연구 분야에 활용될 것으로 기대한다”고 말했다.
광주=김한식 기자 hskim@etnews.com
