세포내 빛 증폭 ‘세포 레이저’ 구현

윤석현 하버드의대 교수팀 세포내 마이크로레이저 구현

동물세포 내 지방·기름 방울을 빛 증폭하는 구슬로 활용


  +   윤석현 교수의 이메일 답장

00celllaser2.jpg » 세포 내에서 특정 파장의 빛을 증폭해 레이저 빛를 발생시키는 모습. 출처/ 윤석현 교수 연구진


아 있는 세포들 안에 주입한 형광염료와 기름 방울을 이용해 세포 내에서 빛을 증폭함으로써 세포에서 레이저를 생성시키는 이른바 ‘생물 레이저’를 구현했다고 광물리학 연구진이 밝혔다. 윤석현 하버드대학교 교수가 이끈 연구진은 2011년에도 좀 더 복잡한 생물학적 장치에서 비슷한 원리를 구현한 기초연구를 발표한 적이 있는데, 이번 연구는 거기에서 나아간 후속 연구이다.


윤석현 미국 하버드대학 의대 교수(광물리학) 연구진은 동물 피부세포 내의 지방 또는 기름 방울을 활용해 빛을 증폭함으로써 레이저를 생성하는 이른바 생물 레이저를 개발해  과학저널 <네이처 포토닉스>의 최근호에 발표했다. 연구진은 이런 기초연구가 장차 빛을 이용한 의료 진단과 치료에서 활용될 수 있을 것으로 기대했다. 이 연구는 <네이처>의 뉴스로도 보도됐다.


윤 교수는 한겨레 과학웹진 사이언스온과 주고받은 이메일에서 이번 연구의 원리를 다음과 같이 설명했다.


“원리는 기름, 지방 방울이나 작은 구슬이 형광염료와 같이 세포에 있는 상태에서 광펄스 자극을 주면, 초기에 나오는 형광이 구슬 방울에 표면에서 반사되면 안에 갇혀 돌게 되는데 이때 활성화된 형광염료에 의해 계속 세기가 증가되면서 레이저로 나오게 됩니다. 방울안에 특정한 파장만 갇히게 되므로 레이저 빛은 형광에 비해 아주 선명한 색깔을 갖게 됩니다.”


00celllaser1.jpg » 동물(돼지) 피부세포 조직 수준에서 관찰되는 생물레이저 현상. 출처/ 윤석현 교수 연구진. 아직은 기초연구 수준이지만, 그는 이 연구성과가 앞으로 의료 진단과 치료 분야에서 활용될 수 있기를 기대한다고 말했다.


“기존의 레이저는 모두 몸 밖에 놓고 사용할 수밖에 없는 데 반하여, 레이저를 몸 안에 주입할 수 있으면 지금 빛을 사용하지 못하는 무수한 질병의 진단, 치료에 새로운 돌파구를 제시할 수 있을 것이라는 신념이 있습니다. 더군다나, 세포는 고도로 발달된 기능을 가진 작은 생명체입니다(DNA Inside라는 컴퓨터 칩이 있는). 예를 들면, 면역 세포는 환부를 발견하고 찾아가는 능력이 있는데, 이를 활용해 레이저를 의사의 조절 없이 필요한 조직에 가져갈 수 있습니다.
 광펄스 하나가 왔을 때 세포 한 개에서 약 천만 개의 레이저 광자가 배출됩니다. 이 양은 주변의 약물을 활성화하기에 충분할 수 있습니다. 또, 레이저는 출력이 독특해서 다른 형광신호와 뚜렷이 구별되므로 몸안에서 외부로 신호를 방출했을때 감지하기가 용이하므로, 진단에 쓰일 수 있을 거라 기대합니다.”


00YSH.jpg » 윤석현 교수 이에 앞서 2011년에 그의 연구진은 세포 안에 구현한 녹색형광단백질을 이용해 세포 안에서 빛을 증폭함으로써 생물 레이저가 가능함을 처음으로 제시한 바 있는데(사이언스온 보도), 이번 연구에서는 녹색형광단백질 없이 좀 더 수월한 방식으로, 특히 살아 있는 동물세포에서 생물 레이저 기술을 구현했다는 점에서 주목받고 있다. 2011년 당시에 윤 교수는 사이언스온과 한 전화통화에서 “생물체에서 레이저를 발생시키는 게 가능함을 보여주었다는 점에서 의미를 지닌다”면서 “매우 작은 공진 장치(optical cavity)를 세포 안에다 집어넣는 기술 분야에서도 진전이 이뤄지고 있어, 살아 있는 유기체의 세포 안에서 생물레이저를 발생시키는 일도 불가능하지 않을 것”이라고 말한 바 있다.


이번 논문과 관련해 사이언스온과 나눈 이메일에서, 그는 “2011년에 발표한 이전 연구에서는 세포를 큰 거울 사이에 놓아서 레이저를 발진켰는데, 이번 연구는 이 거울을 아주 작은 방울 구슬로 대체해 세포 안에 집어 넣”은 셈이라며 그 의미를 설명했다.


  논문 저자의 설명: 윤석현 교수의 이메일

안녕하십니까. 관심 가져주셔서 감사합니다.
 원리는 기름, 지방 방울이나 작은 구슬이 형광염료와 같이 세포에 있는 상태에서 광펄스 자극을 주면, 초기에 나오는 형광이 구슬 방울에 표면에서 반사되면 안에 갇혀 돌게 되는데 이때 활성화된 형광염료에 의해 계속 세기가 증가되면서 레이저로 나오게 됩니다. 방울 안에 특정한 파장만 갇히게 되므로 레이저 빛은 형광에 비해 아주 선명한 색깔을 갖게 됩니다.
 2011년에 발표한 이전 연구에서는 세포를 큰 거울 사이에 놓아서 레이저를 발진시켰는데, 이번 연구는 이 거울을 아주 작은 방울 구슬로 대체해 세포안에 집어 넣었습니다.
 후속으로 세포레이저 신호를 이용해 세포의 기본 특성을 측정하고, 질병에 관련된 정보를 얻는 기초연구를 하고 있고, 세포레이저를 생명체 안에 넣어 활용할 수 있는데 그 가능성을 보는 연구를 할 예정입니다.
 기존의 레이저는 모두 몸 밖에 놓고 사용할 수 밖에 없는 데 반하여, 레이저를 몸안에 주입할 수 있으면 지금 빛을 사용하지 못하는 무수한 질병의 진단, 치료에 새로운 돌파구를 제시할 수 있을 것이라는 신념이 있습니다. 더군다나, 세포는 고도로 발달된 기능을 가진 작은 생명체입니다 (DNA Inside라는 컴퓨터 칩이 있는). 예를 들면, 면역 세포는 환부를 발견하고 찾아가는 능력이 있는데, 이를 활용해 레이저를 의사의 조절 없이 필요한 조직에 가져갈 수 있습니다.
 광펄스 하나가 왔을 때 세포 한 개에서 약 천만 개의 레이저 광자가 배출됩니다. 이 양은 주변의 약물을 활성화시키기에 충분할 수 있습니다. 또, 레이저는 출력이 독특해서 다른 형광 신호와 뚜렷이 구별되므로 몸안에서 외부로 신호를 방출했을 때 감지하기가 용이하므로, 진단에 쓰일 수 있을 거라 기대합니다.
 배양세포 연구에는 당장 활용될 수 있고, 작은 동물 실험은 2-3년 안에 의미 있는 결과가 나오면, 임상 응용에 대한 가능성이 보일 것이라고 생각합니다.


  ■ 논문 초록 (서툰 번역입니다, 이런 점을 감안하여 읽어주세요)

빛을 작은 빈 공간(cavity) 안에 가두는 광학적 마이크로공진기(microresonator)는 레이저와 비선형 장치의 구현부터 생화학적이고 광역학적인(optomechanical) 센서까지 다양한 응용을 위하여 폭넓게 개발되어 왔다. 우리 연구진은 마이크로공진기와 적합한 광학적 이득물질(optical gain materials)을 생물학적 세포 내에서 사용함으로써 시험관 내의 세포가 레이저를 비롯해 다양한 광학적 기능을 보여줌을 입증한다. 우리는 속삭이는 회랑(回廊)(whispering-gallery, 속삭임 소리도 먼 곳까지 들리도록 한 구조의 회랑) 모드를 지원하는 서로 다른 마이크로공진기의 두 가지 유형-연성(soft)과 강성(hard)의 유형-을 탐구한다. 기름을 주입하거나 자연의 지방 방울을 사용하여 형성한 연성의 방울들은 세포 내 레이저 작용을 지원한다. 기름 방울 마이크로레이저에서 나오는 레이저 스펙트럼은 세포질의 내적 스트레스(∼500 pN μm-2)와 그 역동적인 요동을 20 pN μm-2 (20 Pa)의 민감도(sensitivity)의 수준에서 보여줄(chart) 수 있다. 두번째 형태에서, 속삭이는 회랑 모드는 세포 안으로 삼켜진 여러 크기의 폴리스티렌 알갱이(phagocytized polystyrene bean)는 수천 개 세포들에 대해 개별 표지(individual tagging)를 쉽게 할 수 있으며, 원리적으로는 서로 다른 염료를 사용해 다중화한다면 훨씬 더 많은 수에 대해 그렇게 할 수 있다. 

오철우 기자 cheolwoo@hani.co.kr      

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오철우 한겨레신문사 과학담당 기자, 사이언스온 운영
1990년 한겨레신문사에 입사해 편집부, 사회부, 문화부, 생활과학부 등을 거쳤으며 주로 과학담당 기자로 일했다. <과학의 수사학>, <과학의 언어>, <온도계의 철학> 등을 번역했으며, <갈릴레오의 두 우주체제에 관한 대화>를 썼다.
이메일 : cheolwoo@hani.co.kr      

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