생체조직 세포 질량 고해상도 이미징 기술 개발
DGIST 연구팀 "신약 개발 신뢰도 향상…실험용 동물 희생 감소"
(대구=연합뉴스) 이재혁 기자 = DGIST 연구팀이 화학적 전처리 과정 없이 생체 샘플 질량분석 이미지를 마이크로미터 크기 고해상도로 획득하는 기술을 개발했다.
DGIST는 뉴바이올로지전공 문대원 교수, 김재영 리서치펠로우 연구팀이 생체 샘플을 수 마이크로미터(㎛) 해상도로 분석할 수 있는 고분해능 질량분석 이미징 시스템을 개발했다고 18일 밝혔다.
질량분석 이미징 기술은 어느 부위에 어떤 물질이 얼마나 존재하는지 측정하는 것이다.
조직과 세포에 있는 생체 분자를 탈착해 질량을 측정함으로써 생체 분자 정보와 공간 분포 정보를 알 수 있다.
지금까지는 진공상태에서 생체 샘플을 분리하는 이온빔 탈착 방식이나 레이저 탈착 방식을 주로 사용해 해상도가 높은 질량분석 이미지를 얻었다.
그러나 진공 체임버에 샘플을 넣어 정확하게 분석하려면 샘플을 얼려 자르거나 화학 처리를 하는 전처리 과정이 필요한데 이 과정에서 샘플이 손상되거나 분자 정보가 줄어드는 부작용이 있었다.
10여년 전부터 대기압 환경에서 질량분석 및 질량분석 이미징 연구가 진행됐으나 대기압에서 생체 샘플을 이온화하는 성능의 한계로 수십∼수백 ㎛ 해상도에 그쳐 생명과학 및 의학 분야에 직접 활용하지 못했다.
연구팀은 생체 샘플에서 생체 분자를 탈착할 때는 펨토초 레이저를 사용하고, 생체 분자를 이온화할 때는 플라스마제트로 생체 샘플 질량분석을 했다.
또 생체 조직 내포작용(Endocytosis)을 활용해 생체 샘플에 금 나노입자를 고르게 펴 낮은 레이저 출력으로도 생체 분자 탈착이 잘 일어나도록 광흡수 특성을 바꿨다.
연구팀은 생체 샘플 대기압 이온화 질량분석 시 발생할 수 있는 공학적 문제를 해결하기 위해 이온 전달장치, 레이저 집속렌즈, 2D 스캐닝 스테이지, 장치 간 신호 동기회로 등을 추가해 시스템을 완성했다.
이 시스템으로 쥐의 뇌 조직인 해마 조직절편에서 생체 분자 물질 250여개를 추출하고 10여개 생체 분자 물질에서 분해능 3㎛ 이내 질량분석 이미지를 획득했다. 같은 쥐에서 채취한 인접 조직절편으로 약물 효과 여부도 생체 조직 수준에서 확인했다.
질량분석 이미징 시스템을 조직 기반 신약 스크리닝 기술로 활용하면 신약 개발 신뢰도를 향상하고 실험용 동물 희생을 줄일 수 있을 것으로 연구팀은 기대한다.
문대원 교수는 "대사활동을 하는 생체 샘플에서 손상되지 않은 다량 생체 분자 정보를 얻는 동시에 고해상도로 시각화할 수 있어 분자생물학 연구에 크게 기여할 것이다"며 "샘플에서 검출할 수 있는 분자량 영역을 넓히는 후속 연구로 신약 스크리닝, 질량분석 내시경 개발 등 의료진단 분야에 활용하겠다"고 말했다.
연구 결과는 네이처 자매지인 '네이처 커뮤니케이션즈' 13일 자 온라인판에 실렸다. 고려대 임동권 교수 연구팀, 충남대 박지원 연구교수 연구팀과 함께 연구를 진행했다.
yij@yna.co.kr
(끝)
<저작권자(c) 연합뉴스, 무단 전재-재배포 금지>
DGIST 연구팀 "신약 개발 신뢰도 향상…실험용 동물 희생 감소"
(대구=연합뉴스) 이재혁 기자 = DGIST 연구팀이 화학적 전처리 과정 없이 생체 샘플 질량분석 이미지를 마이크로미터 크기 고해상도로 획득하는 기술을 개발했다.
DGIST는 뉴바이올로지전공 문대원 교수, 김재영 리서치펠로우 연구팀이 생체 샘플을 수 마이크로미터(㎛) 해상도로 분석할 수 있는 고분해능 질량분석 이미징 시스템을 개발했다고 18일 밝혔다.
질량분석 이미징 기술은 어느 부위에 어떤 물질이 얼마나 존재하는지 측정하는 것이다.
조직과 세포에 있는 생체 분자를 탈착해 질량을 측정함으로써 생체 분자 정보와 공간 분포 정보를 알 수 있다.
지금까지는 진공상태에서 생체 샘플을 분리하는 이온빔 탈착 방식이나 레이저 탈착 방식을 주로 사용해 해상도가 높은 질량분석 이미지를 얻었다.
그러나 진공 체임버에 샘플을 넣어 정확하게 분석하려면 샘플을 얼려 자르거나 화학 처리를 하는 전처리 과정이 필요한데 이 과정에서 샘플이 손상되거나 분자 정보가 줄어드는 부작용이 있었다.
10여년 전부터 대기압 환경에서 질량분석 및 질량분석 이미징 연구가 진행됐으나 대기압에서 생체 샘플을 이온화하는 성능의 한계로 수십∼수백 ㎛ 해상도에 그쳐 생명과학 및 의학 분야에 직접 활용하지 못했다.
연구팀은 생체 샘플에서 생체 분자를 탈착할 때는 펨토초 레이저를 사용하고, 생체 분자를 이온화할 때는 플라스마제트로 생체 샘플 질량분석을 했다.
또 생체 조직 내포작용(Endocytosis)을 활용해 생체 샘플에 금 나노입자를 고르게 펴 낮은 레이저 출력으로도 생체 분자 탈착이 잘 일어나도록 광흡수 특성을 바꿨다.
연구팀은 생체 샘플 대기압 이온화 질량분석 시 발생할 수 있는 공학적 문제를 해결하기 위해 이온 전달장치, 레이저 집속렌즈, 2D 스캐닝 스테이지, 장치 간 신호 동기회로 등을 추가해 시스템을 완성했다.
이 시스템으로 쥐의 뇌 조직인 해마 조직절편에서 생체 분자 물질 250여개를 추출하고 10여개 생체 분자 물질에서 분해능 3㎛ 이내 질량분석 이미지를 획득했다. 같은 쥐에서 채취한 인접 조직절편으로 약물 효과 여부도 생체 조직 수준에서 확인했다.
질량분석 이미징 시스템을 조직 기반 신약 스크리닝 기술로 활용하면 신약 개발 신뢰도를 향상하고 실험용 동물 희생을 줄일 수 있을 것으로 연구팀은 기대한다.
문대원 교수는 "대사활동을 하는 생체 샘플에서 손상되지 않은 다량 생체 분자 정보를 얻는 동시에 고해상도로 시각화할 수 있어 분자생물학 연구에 크게 기여할 것이다"며 "샘플에서 검출할 수 있는 분자량 영역을 넓히는 후속 연구로 신약 스크리닝, 질량분석 내시경 개발 등 의료진단 분야에 활용하겠다"고 말했다.
연구 결과는 네이처 자매지인 '네이처 커뮤니케이션즈' 13일 자 온라인판에 실렸다. 고려대 임동권 교수 연구팀, 충남대 박지원 연구교수 연구팀과 함께 연구를 진행했다.
yij@yna.co.kr
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