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DGIST, "살아있는 세포 조직을 고해상도로 질량분석한다"
대기압 환경에서 살아있는 생체 샘플 3µm 해상도로 분석하는 질량분석 이미징 시스템 개발
2017년 12월 18일 (월) 13:26:29
   
▲문대원 교수(좌측)와 김재영 리서치펠로우

[대학저널 유제민 기자] DGIST(총장 손상혁) 연구팀이 일반적으로 생활하는 대기압 환경에서 살아있는 생체 샘플을 화학적 전처리 과정없이 마이크로미터 크기의 고해상도로 질량분석 이미징을 획득할 수 있는 기술을 개발했다.

DGIST 뉴바이올로지전공 문대원 교수, 김재영 리서치펠로우 연구팀은 최근 살아있는 생체 샘플을 수 마이크로미터(㎛) 해상도로 분석할 수 있는 고분해능 질량분석 이미징 시스템을 개발했다.

질량분석 이미징 기술은 조직과 세포에 있는 생체 분자를 탈착시켜 생체 분자의 질량을 측정해 조직과 세포의 생체 분자 정보를 얻는 동시에 생체 분자의 공간 분포 정보도 알 수 있는 방법이다. 이 기술은 어떤 물질이 어느 부위에 얼마나 존재하는지 측정할 수 있다.

지금까지 높은 해상도의 질량분석 이미지를 얻기 위해서는 진공상태에서 생체 샘플을 분리시키는 이온빔 탈착 방식이나 레이저 탈착 방식을 주로 사용해왔다. 하지만 진공 챔버에 샘플을 넣어 정확히 분석하기 위해서는 샘플을 얼려 자르거나 화학 처리를 하는 전처리 과정이 필요해 이 과정에서 샘플이 손상되거나 분자 정보가 줄어드는 등의 부작용이 있었다.

약 10년 전부터 대기압 환경에서 질량분석 및 질량분석 이미징을 하는 방법에 대한 연구가 세계적으로 진행돼 왔으나, 대기압에서 생체 샘플을 이온화하는 성능의 한계로 해상도가 수십에서 수백㎛에 달해 생명과학 및 의학 분야에 직접 활용하지 못해왔다.

연구팀은 생체 샘플에서 생체 분자를 탈착시킬 때 펨토초 레이저를 사용하고 생체 분자를 이온화할 때에는 플라즈마 젯을 이용해 생체 샘플의 질량분석을 동시에 진행했다. 또한 살아있는 생체 조직의 내포작용(Endocytosis)을 활용해 생체 샘플에 금 나노입자를 고르게 펴 낮은 레이저 출력으로도 생체 분자 탈착이 잘 일어나도록 생체 샘플의 광흡수 특성을 바꿨다.

또한 생체 샘플의 대기압 이온화 질량분석 시 발생할 수 있는 공학적 문제를 해결하기 위해 이온 전달장치, 레이저 집속렌즈, 2D 스캐닝 스테이지, 장치 간 신호 동기회로 등을 추가해 시스템으로 완성했다.

이 시스템을 이용해 쥐의 뇌 조직인 해마 조직절편으로부터 250여 개의 생체 분자 물질을 추출했으며 10여 개의 생체 분자 물질에서 분해능 3㎛ 이내의 질량분석 이미징을 획득했다. 또한 같은 쥐에서 채취한 인접 조직절편을 사용해 약물의 효과 여부를 생체 조직 수준에서 확인했다.

질량분석 이미징 시스템을 조직 기반 신약 스크리닝 기술로 활용한다면 신약 개발 신뢰도를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 실험용 동물의 희생을 줄일 수 있을 것으로 기대된다.

문대원 교수는 "대사활동을 하고 있는 생체 샘플에서 손상되지 않은 다량의 생체 분자 정보를 얻는 동시에 고해상도로 시각화할 수 있어 분자생물학 연구에 크게 기여할 것"이라며 "샘플에서 검출할 수 있는 분자량의 영역을 넓히는 후속 연구를 진행해 신약 스크리닝, 질량분석 내시경 개발 등 의료진단 분야에 활용하겠다"고 말했다.

한편 이번 연구 결과는 세계적 학술지 네이처의 자매지인 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)' 12월 13일자 온라인판에 게재됐다. 연구는 고려대 임동권 교수 연구팀, 충남대 박지원 연구교수 연구팀과 함께 진행했다.


유제민 기자 yjm@dhnews.co.kr
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