국내 연구진(서울대학교 자연과학대학 화학부 남좌민 교수 연구팀)이 생체 세포를 모방한 인공 세포막 상에서 자유롭게 움직이는 많은 수의 나노입자 간 상호작용을 단일 입자 수준에서 실시간으로 관찰하여 초고감도로 정량 분석할 수 있는 새로운 원천기술을 개발했다고 밝혔다.

이번 연구는 미래창조과학부 글로벌프론티어사업의 일환으로 추진 중인 바이오나노헬스가드연구단(단장 정봉현) 및 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행되었으며, 연구 성과는 화학분야 세계 최고의 권위를 가진 미국 화학회지 JACS 논문으로 선정되어 ‘Snapshots of Nanoparticles in Action Reveal Their Interactions’라는 제목으로 3월 5일 소개되었다.

연구팀은 세포막 구조를 모방한 유동적인 인공 지질 이중층에 빛을 강하게 산란하는 나노입자를 붙여서 2차원 상에서 나노입자들이 자유롭게 운동하고 상호작용하는 것을 간편한 암시야 현미경 장비로 실시간 관찰하였으며, 이를 암시야 현미경 색변화 정량 분석법을 개발해 분석하였다.

기존에 흔히 쓰이는 단일 나노입자의 거동 및 상호작용을 실시간으로 관찰분석하는 방법은 아주 제한적이며 강한 전자빔 주사 등이 필요하고, 분석할 수 있는 입자 수가 한정되어 연구에 제한이 많았다. 또한, 수용액 상에 존재하는 입자의 3차원 운동으로 인해 많은 수의 입자를 모니터링하기가 사실상 거의 불가능하였다.

이번 연구에서는 나노입자를 유동적인 2차원 평면인 지질 이중층에 도입하고 이를 암시야 현미경(dark-field microscope)으로 관찰하여 오랜 시간동안 여러 개의 입자를 동시에 추적분석할 수 있는 새로운 방법을 제시하고, 이를 통해 연구팀은 넓은 영역의 지질 이중층 위에서 수백-수천 개의 나노입자들이 서로 상호작용하여 산란되는 신호의 세기와 색이 변하는 것을 정량적으로 분석해냈다.

연구팀은 개발한 연구방법을 활용하여 대표적인 생물학 무기인 탄저균 DNA를 수 펨토몰라(샘플 1㎕당 수 만개의 DNA) 이하의 낮은 농도까지 정량적으로 검지하고, 단일 염기서열의 차이까지 완벽하게 구분해 냈다.

본 연구결과는 DNA, RNA, 단백질, 화학 분자 등 다양한 분자 및 다양한 종류의 나노입자 간의 상호작용 연구 및 초고감도-다중-정량 검지에 응용될 수 있으며 특히, 바이오칩 형태로 구현되어 바이러스, 박테리아, 톡신 등을 실시간으로 모니터링하는 연구에 활용될 예정이다.

연구팀은 “이번 연구는 나노입자 상호 작용 연구는 물론 생체물질의 상호작용을 연구하는데 있어서 새로운 지평을 여는 연구결과”라고 연구의의를 밝혔다.