1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드

DNase-I (Deoxyribonuclease-I)은 핵산 중간 분해효소로서 DNA 사슬 내부의 인산다이에스터 결합을 절단하는 효소로 알려져 있습니다. 이러한 특징을 활용하여, DNase-I은 유전 및 생물공학 분야에서 DNA를 없애거나 자르는데 활발하게 쓰이는 효소가 되었습니다. 하지만, 최근 연구에 따르면 암을 포함한 감염성 질병의 중증도가 증가함에 따라, 혈중 DNase-I의 농도가 하향 조절된다는 보고가 있었습니다. 이러한 보고는 DNase-I이 공학적으로 활용되는 DNA 제한효소 기능만으로 한정될 것이 아니라, 환자의 질병 진행 상태 모니터링에서 더 나아가 실시간 현장 진단으로도 활용가능한 바이오마커로서의 새로운 패러다임을 시사했습니다.

하지만, 신속하고 정확한 DNase-I 탐지는 여전히 도전과제로 남아있습니다. DNase-I은 효소로서의 활성도에 따라 그 기능이 결정되며, 생체 밖 환경에서는 기능이 급격하게 감소하기 때문에 기존에 사용되었던 enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA)와 같은 방식은 긴 인큐베이션 시간으로 인해 정확한 혈중 DNase-I을 탐지할 수 있을지는 미지수 입니다. 또한, 동물을 포함한 인간의 혈액은 우리가 탐지하고자 하는 DNase-I외에 수많은 방해물질이 존재하며, 정확한 타겟팅 전략이 없으면 무분별한 탐지로 인해 바이오센서의 신뢰성을 잃게 됩니다.

이러한 이슈를 해결하기 위해 이 연구에서 우리는 센서 표면에 신속하고 정확한 DNase-I의 antigen-antibody interaction을 활용한 immunosensor 방식을 채택했으며, 동물 및 인간 혈중에 저농도로 존재하는 DNase-I 수준을 정확하게 탐지하기 위해 매우 민감하게 반응이 가능한 localized surface plasmon resonance (LSPR)기반의 optical sensor를 개발했습니다. 더 나아가, 금 나노 입자 특성상 indium tin oxide (ITO) 표면에 약하게 부착된다는 점을 이용하여 전기화학적 증착을 통해 빠르게 개질화를 시킨 후, 낮은 온도에서 Ostwald ripening과 coalescence 현상을 일으켜 입자의 sphericity를 극단적으로 높여 LSPR의 신호를 성공적으로 안정화 시켰습니다. 이러한 결과는 저농도의 DNase-I 존재 시, 약하게 탐지되는 LSPR 신호가 변동성으로 인해 통계학 적으로 무의미 해지는 현상을 방지할 수 있었습니다. 본 연구결과를 바탕으로 하여, DNase-I 뿐만 아니라 다양한 바이오마커를 탐지하여 현장에서 신속하게 질병 진단에 광범위하게 기여할 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.

이 연구를 진행하면서 높은 sphericity를 가지는 금 나노 입자를 센서 표면에 개질화 시키는 방식을 채택하기 까지 수많은 시행착오가 있었습니다. 애초에 전기화학적으로 증착된 금 나노 입자가 타겟을 탐지할 정도로 높은 LSPR 신호를 가지는 동시에 신호를 안정적으로 해주는 아주 동그란 형태의 금 나노 입자를 개질화 하기 란 공상과학 소설에 가깝습니다. 개질화 전 이온상태의 염화금산 용액에 첨가되는 surfactant의 농도를 높이고, 개질화 시간을 줄이면 표면에 증착되는 금 나노 입자의 sphericity가 높아지는 긍정적인 가능성을 확인을 했지만, surfactant의 농도가 높아지면 전기화학 증착이 억제되었고, 개질화 시간이 줄어들면 그만큼 금 나노 입자가 적게 개질화 되면서 base signal이 눈에 띠게 낮아져 존재 가치 조차 없는 최악의 센서가 탄생했습니다. 하지만 우연하게도, 70도가 넘는 오븐 및 핫 플레이트에서 금이 개질화된 부분이 적색으로 변화하기 시작하는 당시 기적적인 현상을 발견하였고, 수많은 최적화 과정을 거쳐 임상 수준의 DNase-I 탐지에 성공하여 이러한 영광스러운 자리에 글을 감히 남길수 있게 되었습니다.

2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁드립니다.

저는 중앙대학교 일반대학원 융합공학과 바이오공학 김태형 교수님의 나노세포공학 실험실에 소속되어 있습니다. 본 실험실은 세포 및 바이오마커를 전기화학과 광학을 이용하여 모니터링 및 탐지/줄기세포 분화 조절 및 자동 분화/3차원 세포 배양/약물 전달 스크리닝이 가능한 플랫폼 개발 연구를 수행 하에 있습니다. 새로운 플랫폼 및 원천기술 개발에 주로 힘쓰고 있으며, 다양한 정부출연 연구소, 대학 및 의료기관과의 협동연구를 활발하게 진행하고 있습니다.

3. 연구 활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람

실험을 주도할 때에는 ‘자기객관화’가 반드시 필요한 것 같습니다. 여기서 중요한 포인트는 내 입장이 아니어야 한다는 것입니다. 어떻게 보면 극단적일 수 있겠지만, 어느정도 수준에 이르러 거기에서 만족을 하고 더 이상의 비평을 받아들이지 못하겠다면 자신의 발전은 거기서 끝납니다. 특히 단점과 논리적 엇나감이 눈에 크게 들어오지 않으며, 설령 들어온다 하더라도 자기 합리화를 하며 분명히 제자리 걸음 하게 될 것이 뻔합니다. 항상 ‘제3자의 입장에서 내 작품을 바라본다면.’ 이라는 마인드를 가지고 실험에 임한다면, 그 순간은 굉장히 우울해지고 고통스러울지 몰라도, 눈 딱 감고 엄격하게 완성하고 난 후에는 논문의 수준이 얼마나 되었든 상관없이 자기 자신이 스스로 단점에 대하여 고군분투하였던 경험에 크나큰 자부심을 느낄 것이며 셀 수 없는 시행착오를 분명히 겪을 것이기 때문에 앞으로 진행될 실험 및 프로젝트에 경험과 양분이 될 것이라는 확신과 함께 보람을 느끼게 될 것입니다. 저의 경험에 의거하여 말씀드렸습니다.

4. 이 분야로 진학하려는 후배들 또는 유학준비생들에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면?

현실적인 말씀드리겠습니다. 너는 정말 아이디어 뱅크구나 라는 말을 한 번쯤 들어 보신 분들이라면 융합 나노바이오 분야에서 두각을 나타낼 인재가 될 수 있을 것이라 저는 확신할 수 있습니다. 물론, 터무니없는 SF소설을 쓰라는 것은 아닙니다. 심지어, 어렵사리 개인 프로젝트에 대한 기초 원리를 아무런 도움 없이 혼자서 확보하고 스스로 목표까지 설정해 놓았지만 이미 연구가 완료된 아이디어 및 프로젝트가 십중팔구 일 것입니다. 설상가상으로 프로젝트를 몇 년 동안이나 진행했지만 엎어버리는 최악의 경우도 있습니다. 하지만, 남들과는 열정을 가지고 있는 여러분들이라면 초기 실험의 프로토콜을 배우면서 각자 자신의 강점이 무엇이며, 남들과는 차별화될 수 있는 기술이 무엇인지 스스로 알게 될 것입니다. 빠르게 변화하는 트렌드를 완벽하게 따라가며 구사하기는 어렵겠지만, 제가 방금 언급했던 ‘차별화될 수 있는 기술’을 반영하여 이미 존재하는 아이디어에 접목시킨다면 새로운 프로젝트로 얼마든지 탄생시킬 수 있을 것입니다.

5. 연구 활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?

바이오마커를 실시간으로 탐지하여 환자들의 질병을 진단할 수 있는 센서를 만드는 것은 현대 의료계에 큰 도움이 될 수 있을 것으로 판단됩니다. 여기서 더 나아가, 줄기세포를 면역염색처럼 죽이지 않고 분화를 실시간 모니터링하여 세포 치료제 분야로의 계획을 하고 있습니다.

6. 다른 하시고 싶은 이야기들.....

먼저, 논문이 나오기까지 포기하지 않으시고 현실적인 제안과 조언을 아끼지 않으신 제 담당 교수님 이신 김태형 교수님께 감사드립니다. 시간이 오래 걸렸지만, 센서가 개발될 때까지 인내심을 가지고 기다려 주시고, 훌륭한 양질의 동물과 임상 샘플을 제공해주신 공저자 선생님들, 성균관 대학교 박천권 교수님과 이원화 교수님께도 감사드립니다. 실험실 생활을 하면서 가장 가까이서 가장 객관적으로 저의 상황을 조언해주고 응원해준 나노세포공학 실험실 모든 학부, 석·박사 학생분들에게 고맙단 말 전해드립니다. 그리고 마지막으로, 그 누구보다도 저를 항상 지켜봐 주시고 무조건 적으로 사랑을 주신 훌륭하신 부모님과 매일 같이 미래에 대한 믿음과 확신을 심어주고 저의 편이 되어주는 소중한 여자친구에게 감사의 말 정중히 올려드립니다.