서대하(왼쪽부터) DGIST 화학물리학과 교수, 진시우 박사, 이원희 박사.[DGIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 대구경북과학기술원(DGIST) 화학물리학과 서대하 교수팀이 새로운 실시간 현미경 기술을 개발해 세포가 가진 효율적 물질 수송 전략의 열쇠가 될 수 있는 ‘운동 단백질’ 거동 관찰에 성공했다.

연구팀은 나노입자 탐침 기술, 고분해능 현미경 기술, 퓨리에 변환 알고리즘 기술을 활용해 ‘퓨리에 변환 암시야 현미경(FT-pdf microscopy)’을 제작했다. 위치 및 각도의 정확성이 전자현미경과 유사하여, 현존 광학현미경의 최고 수준이라고 할 수 있다.

세포는 엔도좀(endosome, 세포 내 섭취 등을 통해 세포질 내 형성된 소낭)이라는 세포 내 소포(vesicle)를 통해 물질을 효율적으로 운송한다. 이것은 복잡한 미세소관 네트워크를 따라 움직이는 운동 단백질에 의해 목적지로 운반된다. 이때 수송 과정에서 나타나는 엔도좀의 이동과 회전을 관찰하는 것은 세포 내 수송이 어떻게 효율적으로 조절되는지를 이해하는 데 중요한 정보를 제공하며, 이는 세포의 기능과 질병의 이해에도 도움이 된다.

연구팀은 이를 시각화하기 위해 ‘편광 각도 의존성’을 갖는 나노 입자를 활용해 ‘퓨리에 변환(Fourier Transform)’ 기술로 분석하는 암시야 현미경(FT-pdf microscopy)을 개발했다. 편광된 빛을 회전시키면서 관찰한 산란 신호는 장시간 연속 촬영이 가능하고, 기존의 단일 입자 추적 기술과 결합하면 입자의 이동 및 회전을 실시간으로 관찰할 수 있다.

연구팀은 암시야 현미경을 이용해 세포 내 엔도좀 회전 운동의 시간 패턴(높은 시계열성)을 발견했는데, 흡사 탐색 로봇이나 인터넷 검색 엔진의 강화학습 전략과 유사한 것으로 해석했다. 이를 통해 엔도좀 수송의 실시간 전략을 분석하고, 질병 세포 모델에 적용해 질병의 원인과 이해, 진단 등에 활용할 수 있을 것으로 보인다.

세포내 소포의 병진 및 회전 운동을 실시간으로 관찰하기 위한 FT-pdf 현미경의 개략도.[DGIST 제공]

서대하 교수는 “이번 연구를 통해 우리 몸을 이루는 보통의 세포는 현재 인류가 활발히 개발 중인 로봇의 데이터 학습 기술을 이미 갖추고 있는 것처럼 보인다”며 “이러한 분자 수준의 전략은 정확한 물질 수송의 열쇠이자 또 다른 연구 대상이며, 향후 질병 세포에서의 적용을 통해 질병을 이해하고 진단하는 데 기여할 것으로 기대된다”고 밝혔다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단의 기본연구사업 및 선도연구센터사업 지원을 받아 수행된 이번 연구결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 사이언스’에 게재됐다.