DGIST 화학물리학과 서대하 교수 연구팀이 세포막에서 발생하는 미세한 상 분리 현상을 관찰할 수 있는 새로운 광학현미경 분석 기술인 “lipid-MAP”을 개발했다고 발표했다.

해당 기술은 기존 현미경 기술과 나노화학, 머신 러닝 기술을 결합한 새로운 기술로, 단일 분자 수준에서 세포 신호 조절 방식을 탐색하는데 중요한 실험 전략을 제공할 것으로 보인다.

세포는 모든 생명체의 기본 구성 단위로, 그 외부는 세포막으로 둘러 싸여져 있다. 세포막에는 나노 크기의 미세한 섬 형태의 지질 구조가 존재한다.

이러한 섬 구조는 생체 분자 간의 상호작용, 화학 반응 및 신호전달에 결정적인 역할을 한다.

그러나 이들 구조는 그 크기가 매우 작고 지속 시간이 짧아 기존 관찰 방법으로는 직접 관찰하기 어렵다는 문제가 존재했다.

이에 연구팀은 금 나노 탐침과 머신러닝 기술을 활용하여 나노 수준의 구조 성질을 정량적으로 파악하는데 성공했다.

금 나노입자는 표면 플라즈몬 공명 현상을 통해 매우 밝게 빛을 산란시키는 특성을 가지고 있다.

연구팀은 이러한 특성을 활용해 금 나노입자를 지질 분자에 결합하여 단일 분자 수준의 움직임을 직접 관찰할 수 있는 시스템을 구현했다.

그리고 머신러닝 알고리즘을 활용한 분석 기술을 도입하여 지질 분자가 보이는 짧은 순간(0.01초 ~ 0.1초)에 발생하는 이동성 변화를 감지하고, 이를 통해 세포막 위의 미세한 상 분리 구조를 파악하는데 성공했다.

‘지질 뗏목’이라고도 표현하는 ‘미세 지질 섬 구조’는 주로 콜레스테롤과 포화 지질이 국소적으로 모여 구성된다고 알려져 있다.

연구팀은 이번 연구를 통해 세포막의 분자 조성에 따라 그 구조의 크기와 특성이 결정된다는 사실을 확인하고, 이들이 세포막에서 콜레스테롤 함량이 변하거나 다양한 환경 요인에 따라 변화할 수 있다는 점을 밝혀냈다. 

서대하 교수는 “본 연구는 지질 뗏목을 실시간으로, 넓은 범위에서 이미징하는 최초 기술이라 그 시공간 분해능이 매우 우수하다.”며, “이번 연구 결과가 향후 세포 기능, 질병 원리의 근본적인 이해에 기반이되고, 질병의 정밀 진단 기술로 발전하기를 기대한다.”고 밝혔다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단의 중견연구자지원사업, 바이오의료기술개발사업, DGIST D-GRIP 사업의 지원을 받아 수행한 이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘Analytical Chemistry’에 게재됐다.