한양대 이진석 교수팀, 살아있는 세포 내 소기관의 대사작용 실시간 관찰 기술 최초 개발 … 질병 조기진단 기대

한양대학교는 화학과 이진석 교수 연구팀이 서울대 물리학과 김도헌 교수 연구팀과 함께 살아있는 세포 내 소기관의 대사작용을 실시간으로 측정할 수 있는 양자 온도센서 기술을 개발했다고 8일 밝혔다.

세포 내 대사는 에너지 생성과 항상성 유지에 중요한 생물학적 과정이다. 이때 발생하는 미세한 열 변동은 세포의 생리적 상태를 나타내는 핵심 지표다. 그러나 지금까지는 소기관 단위에서 대사 작용의 실시간 변화를 정확히 포착할 수 있는 기술이 없었다.

기존 분석법은 세포 전체의 평균값 분석 또는 고정 샘플 기반 측정에 국한돼 살아있는 세포 내 개별 소기관의 빠르고 섬세한 대사 변화를 포착하는 데 한계가 있었다. 또한 온도를 이용한 기존의 센싱 기술은 해상도와 표적 특이성 측면에서 기술적 제약이 있었다.

공동 연구팀은 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 전자스핀 상태가 민감하게 변하는 특징이 있다. 연구팀은 이런 특성을 활용하기 위해 항체를 이용해 나노다이아몬드의 표면을 개질하고, 특정 소기관에 표적화하는 기술을 개발했다.

연구팀은 미토콘드리아, 핵, 세포막 등 다양한 세포 소기관에 나노다이아몬드를 정밀하게 표적화한 뒤 해당 위치의 온도 변화를 고해상도로 장시간 측정하는 데 성공했다. 실험 결과 아데노신삼인산(ATP, 생물학적 에너지 분자) 합성 저해제(FCCP)를 처리했을 때 미토콘드리아의 온도가 변하는 과정을 나노다이아몬드를 이용해 정밀하게 모니터링할 수 있었다.

이번 연구는 단순히 온도 변화를 측정하는 데 그치지 않고 살아있는 세포 내 특정 소기관의 대사 활동을 실시간으로 모니터링하는 새로운 플랫폼을 제시했다는 점에서 의미가 크다. 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·의학 분야에 광범위하게 응용될 것으로 기대된다.

이진석 교수는 "이번 연구는 살아있는 세포 내 특정 소기관의 대사 변화를 실시간으로 관찰한 최초의 시도"라며 "앞으로 질병 조기진단 기술, 신약 스크리닝, 세포 생물학 연구 등 다양한 분야로의 확장이 기대된다"고 말했다.

이번 연구 성과는 화학 분야 국제 저명 학술지 '미국화학학회지(Journal of the American Chemical Society)'의 표지논문으로 선정됐다. 이진석, 김도헌 교수가 교신저자, 한양대 이유빈 박사, 서울대 김기호 박사가 공동 제1저자로 각각 참여했다.

이번 연구는 한국연구재단의 지원을 받았다.