양자 온도센서 기반
질병 진단과 신약 개발에 활용 기대
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.
세포 내 대사는 에너지 생성과 항상성 유지에 중요한 생물학적 과정으로 그 과정에서 발생하는 미세한 열 변동은 세포의 생리적 상태를 나타내는 핵심 지표다. 그러나 지금까지는 소기관 단위에서 대사 작용의 실시간 변화를 정확히 포착할 수 있는 기술이 개발되지 못한 상황이었다.
기존 분석법은 세포 전체 평균값 분석 혹은 고정 샘플 기반 측정에 국한돼 있어 살아있는 세포 내 소기관의 빠르고 섬세한 대사 변화를 포착하는 데 한계가 있었다.
이 교수 연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 나노미터 크기의 다이아몬드 내 질소-공석 결함(NV 센터)을 활용한 세포 내 소기관 양자 온도센서를 개발했다. NV 센터는 전자스핀 공명(ESR) 현상에 따라 주변 온도 변화에 반응하는 특성을 가지며 주변 온도 변화에 따라 전자 스핀 상태가 민감하게 변하는 특징이 있다.
연구팀은 이러한 나노다이아몬드의 양자 온도센서 특성을 살아있는 세포 내 대사 작용을 모니터링하는데 활용하기 위해 항체를 이용해 나노다이아몬드의 표면을 개질하고 특정 소기관에 표적화하는 기술을 개발했다.
특히 연구팀은 미토콘드리아, 핵, 세포막 등 다양한 세포 소기관에 나노다이아몬드를 정밀하게 표적화한 뒤 해당 위치의 온도 변화를 고해상도로 장시간 측정하는 데 성공했다. 실험 결과, ATP 합성 저해제(FCCP)를 처리했을 때 미토콘드리아의 온도가 변하는 과정을 나노다이아몬드를 이용해 정밀하게 모니터링하는 데 성공했다.
이번 연구는 단순히 온도 변화를 측정하는 데 그치지 않고 살아있는 세포 내 특정 소기관의 대사 활동을 실시간으로 모니터링할 수 있는 새로운 플랫폼을 제시했다는 점에서 큰 의미를 가진다.
또한 기존 기술과 달리 세포의 생리적 상태를 비침습적이고 정확하게 관찰할 수 있어 향후 다양한 질병의 조기 진단, 약물 반응 평가, 세포 기능 연구 등 생명과학 및 의학 분야에 광범위하게 응용될 것으로 기대된다.
이 교수는 "이번 연구는 나노다이아몬드 기반 양자 센서를 통해 살아있는 세포 내 특정 소기관의 대사 변화를 실시간으로 관찰한 최초의 시도"라며 "앞으로 질병 조기 진달 기술 개발뿐만 아니라 신약 스크리닝, 세포 생물학 연구 등 다양한 분야로의 확장이 기대된다"고 말했다.
이번 연구는 서울대학교 물리학과 김도헌 교수 연구팀과의 공동연구로 수행됐으며, 한국연구재단의 지원을 받아 진행됐다. 연구 논문 「Organelle-Specific Quantum Thermometry Using Fluorescent Nanodiamonds: Insights into Cellular Metabolic Thermodynamics」에는 이유빈 박사(한양대학교, 공동 제1저자), 김기호 박사(서울대학교, 공동 제1저자), 김도헌 교수(서울대학교, 공동저자), 이진석 교수(한양대학교, 교신저자)가 공동으로 참여했다.
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