국내 연구팀이 살아있는 세포 내 미토콘드리아의 대사를 실시간 모니터링할 수 있는 기술을 개발했다. 이를 통해 세포 내부에서 일어나는 미세한 변화를 포착할 수 있게 되고, 다양한 질병의 조기 진단에 있어 진일보한 성과를 낼 수 있을 것으로 기대된다.
세포 내 소기관 대사작용 실시간 측정
세포는 인간의 몸을 구성하는 기본 요소다. 세포는 그 하나하나가 독립적인 생명체이자 정밀하게 움직이는 기계로서의 특성을 모두 가지고 있다. 하나의 세포 안에서는 세포 자신에게 필요한 에너지 생성은 물론 전체 조직의 항상성을 유지하기 위한 대사가 이루어진다.
인간이 대사 과정에서 열을 발산하듯, 세포 역시 대사 과정에서 열을 발생시킨다. 인간의 열 발생 정도로 건강 상태를 파악할 수 있는 것처럼, 세포 또한 그 열 변동을 통해 세포의 생리적 상태를 파악할 수 있다.
다만, 세포는 그 크기가 매우 작기 때문에, 대사를 통해 발생하는 열 변동 또한 매우 미세한 수준이다. 이 때문에 지금까지는 세포의 소기관 단위에서 나타나는 변화를 실시간으로 정확히 포착하기 위한 마땅한 기술이 없었다.
이에 한양대학교 화학과 이진석 교수와 서울대학교 물리학과 김도헌 교수는 공동연구를 통해 살아있는 세포 내 소기관 대사작용을 실시간으로 측정할 수 있는 ‘양자 온도센서 기술’을 개발했다고 8일(화) 밝혔다.
세포 내 소기관 표적화 기술
기존까지의 세포 내 소기관 대사작용 분석은 세포 전체의 평균값을 분석하거나 혹은 고정된 샘플을 기반으로 한 측정법에 국한돼 있었다. 이는 살아있는 세포 내 개별 소기관에서 이루어지는 빠르고 섬세한 변화를 포착하는 데 한계가 있었다. 측정하는 순간에도 세포 내 소기관 대사작용은 지속적으로 이루어지기 때문이다. 또한, 온도 변화를 기반으로 하는 기존의 센싱 기술은 해상도와 표적 특이성 측면에서 기술적 제약이 존재했다.
이진석 교수 연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해, 나노미터 크기의 다이아몬드 내 질소-공석 결함(NV 센터)을 활용한 ‘세포 내 소기관 양자 온도센서’를 개발했다. NV 센터는 전자스핀 공명(ESR) 현상에 따라 주변 온도 변화에 반응하는 특성을 가지며, 주변 온도 변화에 따라 전자스핀 상태가 민감하게 변하는 특징이 있다.
연구팀은 이러한 나노다이아몬드의 양자 온도센서 특성을 활용해 살아있는 세포 내 대사작용을 모니터링하고자 했다. 이를 위해 항체를 이용하여 나노다이아몬드의 표면을 개질하고, 특정 소기관에 표적화하는 기술을 개발했다.
특히 연구팀은 미토콘드리아, 핵, 세포막 등 다양한 세포 소기관에 나노다이아몬드를 정밀하게 표적화했다. 그 다음 해당 위치에서 발생하는 온도 변화를 높은 해상도로 장시간에 걸쳐 측정하는 데 성공했다. 실험 결과, ATP 합성 저해제(FCCP)를 처리했을 때 미토콘드리아의 온도가 변하는 과정을 나노다이아몬드를 이용해 정밀하게 모니터링하는 데 성공했다.
더욱 정밀한 질병 조기진단 가능
이번 연구는 단순히 세포 내 소기관의 온도 변화를 측정하는 데 그치지 않는다. 살아있는 세포의 내부에서 개별 세포 내 소기관 대사작용을 실시간으로 모니터링할 수 있었다는 점, 그리고 이를 가능하게 하는 새로운 플랫폼의 가능성을 제시했다는 점에서 의미가 크다.
또한, 세포가 살아있는 상태에서 모니터링하는 방식이므로, 기존 기술과 달리 세포의 생리적 상태를 비침습적이고 정확하게 관찰할 수 있다는 점도 적지 않은 의의를 가진다.
세포 내 소기관 대사작용에 있어서의 변화는 곧 정상 세포의 변화를 나타낸다. 이에 대한 데이터가 축적될 경우, 어떤 변화가 어떤 이상 증상이나 질병으로 이어지는지를 예측할 수 있게 될 것이다. 즉, 향후 다양한 질병의 조기 진단이 더욱 정밀하고 빨라질 것이라 기대할 수 있다.
여기에 더해 각종 약물에 대한 반응 평가는 물론, 더 나아가 세포 본연의 기능 연구까지 생명과학 및 의학 분야에 광범위하게 응용될 거라 기대해볼 수 있다.
이진석 교수는 “이번 연구는 나노다이아몬드 기반 양자 센서를 통해 살아있는 세포 내 특정 소기관의 대사 변화를 실시간으로 관찰한 최초의 시도”라며, “앞으로 질병 조기 진단 기술 개발뿐만 아니라, 신약 스크리닝, 세포 생물학 연구 등 다양한 분야로의 확장이 기대된다”고 말했다.
이번 연구 성과는 국제 저명 화학 분야 학술지 「Journal of the American Chemical Society (JACS)」의 표지논문(Front Cover)으로 선정되며, 연구의 우수성과 독창성을 인정받았다.
연구 논문 제목은 ‘형광 나노다이아몬드를 이용한 소기관 특이적 양자 온도 측정: 세포 대사 열역학에 대한 통찰(Organelle-Specific Quantum Thermometry Using Fluorescent Nanodiamonds: Insights into Cellular Metabolic Thermodynamics)’이다.
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