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한빛사 인터뷰
한빛사 인터뷰
- 등록2017-12-26
- 조회4,017
Nat. Commun., Published online: 13 December 2017, 8, Article number: 2113 | doi:10.1038/s41467-017-02216-6
Atmospheric pressure mass spectrometric imaging of live hippocampal tissue slices with subcellular spatial resolution
1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드
질량분석 이미징은 시편의 분자 정보를 얻으면서 동시에 공간정보를 더하여 생체분자 공간분포 정보를 알 수 있는 화학적 이미징 방법으로, 높은 공간분해능을 얻기 위해 주로 진공상태에서 이온빔 탈착 방식이나 레이저 탈착 방식을 주로 사용합니다. 그러나 분석을 위해 진공챔버 안에서 생체시편을 넣기 위해서는 시편을 얼려서 자르거나 (freeze-drying), 화학적 처리 (fixation)를 해야 하며, 이런 과정에서 시편의 훼손이 발생하거나, 생체분자정보가 줄어드는 등의 부작용을 감수해야 했었습니다. 이런 이유로 최근 10여 년 전부터 대기압 분위기에서 질량분석 및 질량분석 이미징하는 방식에 대해 세계적으로 연구가 진행되고 있는데, 기술적 한계로 인해 공간분해능이 여전히 수십에서 수백 마이크로미터에 달해 생명과학 및 의학 분야에서 다양하게 적용하는데 한계가 있었으며, 그 중 AP-MALDI 기술은 대기압에서 분석을 하지만 살아있는 생체 시편에 적용할 수 없었습니다.
이번 우리 연구팀의 연구결과는 수 마이크로미터의 해상도를 갖는 질량분석 이미징 기술을 대기압 분위기에서 구현한다는 장점이 있습니다. 대기압 질량분석 이미징 기술은 생체시료를 파괴해서 용액화할 필요도 없으며, 진공 챔버에 넣기 위해 필요한 전처리과정 단계도 완전히 없애거나 실험 조건에 따라 대폭 간소화할 수 있어 최종적으로는 살아있는 세포나 생체 조직의 정량 분석이 가능합니다. 특히 단일세포보다 작은 해상도를 가진 질량분석 이미징을 통해 여러 생체분자 물질간의 관련성 연구 등에 적극적으로 쓰일 것으로 기대합니다.
2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁 드립니다.
세계 초일류 융복합 연구중심대학을 지향하고 있는 대구경북과학기술원 (DGIST) 는 대구시 달성군 현풍면에 있는 과학기술특성화대학이며, 연구기관과 교육기관이 같이 있는 특수한 형태의 정부출연연구기관입니다. 우리 연구실은 뉴바이올로지전공 소속 나노바이오이미징 연구실이며 문대원교수님이 연구책임자로 계십니다. 우리 연구실에서는 유무기 재료 및 화학분야에서 물질의 표면 및 계면을 분석하는 여러 계측 장비를 가지고 여러 생체 시편의 분석을 통해 생명 현상을 영상화 및 시각화하여 다각도로 관찰하는 연구하는 일을 하고 있으며, 중에너지 이온산란 분광기 (Medium Energy Ion Scattering Spectroscopy, MEIS), 대기압 질량분석 이미징 장비 (Ambient Mass Spectrometry Imaging System), 가간섭성 반스토크스 라만 분광 장비 (Coherent Anti-Stokes Raman Spectroscopy, CARS)를 자체 제작 및 개발하여 사용하고 있으며, 상용 장비인 이차이온질량분석 장비 (Secondary Ion Mass Spectrometry, SIMS, TOF.SIMS V, IONTOF, Germany) 와 헬륨이온현미경 (Helium Ion Microscopy, HIM, Orion NanoFab, Carl Zeiss, USA) 을 생체 시편 분석에 적용한 다양한 연구를 진행하고 있습니다.
본 연구는 문대원교수님께서 한국표준과학연구원에서 DGIST으로 오셔서, 새로운 연구주제를 정하고 그에 맞게 연구인력을 구성하고 실험 장비를 구입하여 연구 개발을 진행한 말 그대로 DGIST 고유의 기술이며, 본 논문은 DGIST 연구진을 중심으로 국내연구진만으로 원천 기술 연구를 통해 얻어낸 결과를 인정받은 것이라 매우 의미가 크다고 할 수 있습니다. 저 또한 DGIST 로 오면서 이전 연구기관에서 하던 일과 전혀 다른 지금의 연구를 시작했는데, 2년 반에 걸쳐 시스템을 구축하고 결과가 나오기까지 또 1년이 걸린 일이라 이번 연구 결과에 보람을 느낍니다.
4. 이 분야로 진학하려는 후배들 또는 유학준비생들에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면?
복잡다단한 생명현상을 좀 더 정확하고 분석적으로 이해하여 실제 마이크로 스케일에서 생명현상의 근원적 파악에 더 가깝게 다가가기 위해 가설을 세우고 이를 검증하는 방식의 전통적인 생물학 연구 방식의 한계를 느끼고 새로운 방식으로 접근하려는 시도가 최근 나타나고 있습니다. 또한 여러 학문들의 경계가 허물어지고, 하나의 문제를 해결하기 위해 여러 학문 분야의 전문성을 함께 요구하는 시대에 있음을 실감하고 있는 요즘입니다. 나 역시도 학부, 석사, 박사과정 및 박사후연구원과정을 모두 전자 및 전기공학 전공으로 진공 기술과 기체 방전 현상을 주로 연구한 공학도이지만 지금은 생물과 분석 화학에 더 많은 연구 비중을 두고 있습니다. 이는 하나의 연구 흐름이라 생각하며, 이런 연구 흐름을 이해하려 하고 적응하려 하는 것도 어느정도 필요하다 생각합니다. 본인이 해온 전공이나 경력에 갇혀 본인의 연구 주제를 너무 좁게 정하지 말고, 다른 여러 학문 분야의 학술 세미나나 발표를 접하고 교류하며, 관심을 가지는 것이 필요한 시대라고 말씀드리고 싶습니다.
5. 연구활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?
이번 연구의 결과를 바탕으로 질량분석 성능의 감도를 높이고, 측정 가능한 질량 영역을 넓히는 후속 연구를 추진하여 신약 스크리닝, 질량분석 내시경 개발 등 이 기술을 의료진단 분야에 활용하고 싶습니다. 이를 통해 동물 실험과 생체 조직검사의 일정 부분을 이 기술로 대체하길 바라고, 정확하고 빠른 진단을 통해 차세대 의료 진단 기기로의 발전을 기대합니다.
6. 다른 하시고 싶은 이야기들....
이번 결과는 문대원 교수님께서 잘 이끌어주시고 오랜 시간 인내를 가지고 기다려주신 덕분입니다. 몇 년간 고생을 하여 만든 장비로 실험을 하여 이제 논문 한 편이 나왔습니다. 논문 한 편에서 보여주지 못한 좋은 데이터들도 많고 더 나와야 할 논문들이 있습니다. 또한 장비 성능을 향상시켜야 할 부분과 분석해보고 싶은 시편들도 많습니다. 이번 논문 성과에 큰 의미를 부여하지 않고, 계속 연구에 정진하도록 하겠습니다.
질량분석 이미징은 시편의 분자 정보를 얻으면서 동시에 공간정보를 더하여 생체분자 공간분포 정보를 알 수 있는 화학적 이미징 방법으로, 높은 공간분해능을 얻기 위해 주로 진공상태에서 이온빔 탈착 방식이나 레이저 탈착 방식을 주로 사용합니다. 그러나 분석을 위해 진공챔버 안에서 생체시편을 넣기 위해서는 시편을 얼려서 자르거나 (freeze-drying), 화학적 처리 (fixation)를 해야 하며, 이런 과정에서 시편의 훼손이 발생하거나, 생체분자정보가 줄어드는 등의 부작용을 감수해야 했었습니다. 이런 이유로 최근 10여 년 전부터 대기압 분위기에서 질량분석 및 질량분석 이미징하는 방식에 대해 세계적으로 연구가 진행되고 있는데, 기술적 한계로 인해 공간분해능이 여전히 수십에서 수백 마이크로미터에 달해 생명과학 및 의학 분야에서 다양하게 적용하는데 한계가 있었으며, 그 중 AP-MALDI 기술은 대기압에서 분석을 하지만 살아있는 생체 시편에 적용할 수 없었습니다.
이번 우리 연구팀의 연구결과는 수 마이크로미터의 해상도를 갖는 질량분석 이미징 기술을 대기압 분위기에서 구현한다는 장점이 있습니다. 대기압 질량분석 이미징 기술은 생체시료를 파괴해서 용액화할 필요도 없으며, 진공 챔버에 넣기 위해 필요한 전처리과정 단계도 완전히 없애거나 실험 조건에 따라 대폭 간소화할 수 있어 최종적으로는 살아있는 세포나 생체 조직의 정량 분석이 가능합니다. 특히 단일세포보다 작은 해상도를 가진 질량분석 이미징을 통해 여러 생체분자 물질간의 관련성 연구 등에 적극적으로 쓰일 것으로 기대합니다.
2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁 드립니다.
세계 초일류 융복합 연구중심대학을 지향하고 있는 대구경북과학기술원 (DGIST) 는 대구시 달성군 현풍면에 있는 과학기술특성화대학이며, 연구기관과 교육기관이 같이 있는 특수한 형태의 정부출연연구기관입니다. 우리 연구실은 뉴바이올로지전공 소속 나노바이오이미징 연구실이며 문대원교수님이 연구책임자로 계십니다. 우리 연구실에서는 유무기 재료 및 화학분야에서 물질의 표면 및 계면을 분석하는 여러 계측 장비를 가지고 여러 생체 시편의 분석을 통해 생명 현상을 영상화 및 시각화하여 다각도로 관찰하는 연구하는 일을 하고 있으며, 중에너지 이온산란 분광기 (Medium Energy Ion Scattering Spectroscopy, MEIS), 대기압 질량분석 이미징 장비 (Ambient Mass Spectrometry Imaging System), 가간섭성 반스토크스 라만 분광 장비 (Coherent Anti-Stokes Raman Spectroscopy, CARS)를 자체 제작 및 개발하여 사용하고 있으며, 상용 장비인 이차이온질량분석 장비 (Secondary Ion Mass Spectrometry, SIMS, TOF.SIMS V, IONTOF, Germany) 와 헬륨이온현미경 (Helium Ion Microscopy, HIM, Orion NanoFab, Carl Zeiss, USA) 을 생체 시편 분석에 적용한 다양한 연구를 진행하고 있습니다.
본 연구는 문대원교수님께서 한국표준과학연구원에서 DGIST으로 오셔서, 새로운 연구주제를 정하고 그에 맞게 연구인력을 구성하고 실험 장비를 구입하여 연구 개발을 진행한 말 그대로 DGIST 고유의 기술이며, 본 논문은 DGIST 연구진을 중심으로 국내연구진만으로 원천 기술 연구를 통해 얻어낸 결과를 인정받은 것이라 매우 의미가 크다고 할 수 있습니다. 저 또한 DGIST 로 오면서 이전 연구기관에서 하던 일과 전혀 다른 지금의 연구를 시작했는데, 2년 반에 걸쳐 시스템을 구축하고 결과가 나오기까지 또 1년이 걸린 일이라 이번 연구 결과에 보람을 느낍니다.
4. 이 분야로 진학하려는 후배들 또는 유학준비생들에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면?
복잡다단한 생명현상을 좀 더 정확하고 분석적으로 이해하여 실제 마이크로 스케일에서 생명현상의 근원적 파악에 더 가깝게 다가가기 위해 가설을 세우고 이를 검증하는 방식의 전통적인 생물학 연구 방식의 한계를 느끼고 새로운 방식으로 접근하려는 시도가 최근 나타나고 있습니다. 또한 여러 학문들의 경계가 허물어지고, 하나의 문제를 해결하기 위해 여러 학문 분야의 전문성을 함께 요구하는 시대에 있음을 실감하고 있는 요즘입니다. 나 역시도 학부, 석사, 박사과정 및 박사후연구원과정을 모두 전자 및 전기공학 전공으로 진공 기술과 기체 방전 현상을 주로 연구한 공학도이지만 지금은 생물과 분석 화학에 더 많은 연구 비중을 두고 있습니다. 이는 하나의 연구 흐름이라 생각하며, 이런 연구 흐름을 이해하려 하고 적응하려 하는 것도 어느정도 필요하다 생각합니다. 본인이 해온 전공이나 경력에 갇혀 본인의 연구 주제를 너무 좁게 정하지 말고, 다른 여러 학문 분야의 학술 세미나나 발표를 접하고 교류하며, 관심을 가지는 것이 필요한 시대라고 말씀드리고 싶습니다.
5. 연구활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?
이번 연구의 결과를 바탕으로 질량분석 성능의 감도를 높이고, 측정 가능한 질량 영역을 넓히는 후속 연구를 추진하여 신약 스크리닝, 질량분석 내시경 개발 등 이 기술을 의료진단 분야에 활용하고 싶습니다. 이를 통해 동물 실험과 생체 조직검사의 일정 부분을 이 기술로 대체하길 바라고, 정확하고 빠른 진단을 통해 차세대 의료 진단 기기로의 발전을 기대합니다.
6. 다른 하시고 싶은 이야기들....
이번 결과는 문대원 교수님께서 잘 이끌어주시고 오랜 시간 인내를 가지고 기다려주신 덕분입니다. 몇 년간 고생을 하여 만든 장비로 실험을 하여 이제 논문 한 편이 나왔습니다. 논문 한 편에서 보여주지 못한 좋은 데이터들도 많고 더 나와야 할 논문들이 있습니다. 또한 장비 성능을 향상시켜야 할 부분과 분석해보고 싶은 시편들도 많습니다. 이번 논문 성과에 큰 의미를 부여하지 않고, 계속 연구에 정진하도록 하겠습니다.
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