한빛사 인터뷰
1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드
모든 생물체의 구조적, 기능적 단위인 세포는 인체 내에서 복잡한 기능을 수행하는 것뿐만 아니라, 실험실 조건(in vitro)에서도 세포의 화학적 과정, 분자적 상호작용 및 생리적 메커니즘에 따른 성장, 분화 및 사멸 등의 반응들이 일어나기 때문에 주요 거동을 분석하여 탐구하는 것은 아직 미지의 영역으로 남겨진 인체 내 발생되는 현상들을 규명하고, 다양한 장기의 기능을 심층적으로 탐구하기 위해 필수적일 것입니다. 하지만 그 복잡성으로 인해, 과거부터 현재까지 효과가 입증된 PCR, 유세포 분석, 면역염색 혹은 RNA 시퀀싱 등의 방법이 사용되고 있습니다. 탁월한 효과에도 불구하고, 이러한 분석 방법들은 세포의 용해/해리 과정을 동반하게 되며 세포의 지속적인 변화를 관찰하기에는 어려움이 존재합니다. 최근에는 세포 내/외에서의 계속적이고 다양한 변화를 실시간으로 분석하기 위한 방법으로, 실시간 세포대사분석 (Real-time cell metabolism analyzer), 라만 분광법(Raman spectroscopy) 및 임피던스 기반 세포분석 (Electric cell-substrate impedence sensing)과 전위차 분석법 (Potentiometric analysis)등 전기화학 기반 분석법들이 사용되고 있습니다.
이와 다르게, 저희 연구실에서는 세포칩 기반 금 나노구조 전극 상에 부착된 세포의 특이적 신호에 대한 전기화학적 분석기술을 독자적으로 구축하고 있으며, 신호의 주요 원인이 세포의 미토콘드리아 내 adenosine triphosphate (ATP)를 생성할 때 발생하는 대사 반응임을 밝혀 2023년에 보고한 바 있습니다. 이를 기반으로 다양한 종류의 암세포, 줄기세포 및 3차원 구조체인 오가노이드까지 탐지 및 약물 스크리닝이 가능함을 선보인 바 있습니다만, 분석에 사용된 세포칩의 경우 지름이 0.75cm 규모로 세포를 수용할 수 있는 면적이 적으며, 금 나노구조와 기판 상의 낮은 결합력으로 인해 세포의 장기적 발생과정을 모니터링하는 데에 어려움이 존재했습니다.
본 논문에서는 세포 성장 및 전기화학적 신호의 획득이 가능한 금 나노구조의 확장 및 표면을 급속 가열한 후 냉각하여 재료 표면을 변형시키는 방법인 Thermal annealing을 통해 금 나노구조와 기판 간 결합력을 증대시켜 세포의 장기적 모니터링이 가능한 전기화학적 플랫폼을 제작하였습니다. 이는 기존 플랫폼 대비 10배 이상의 세포 수를 확보할 수 있었으며, 안정성의 증대로 인해 장기적 모니터링이 필수적인 줄기세포 혹은 오가노이드로의 분화에 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 약물 스크리닝 시 장기적인 효능 평가 및 부작용에 대한 모니터링이 가능한 신약 발굴 플랫폼으로서 사용될 수 있을 것이라 기대됩니다.
2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁드립니다.
본 연구는 중앙대학교 융합공학부 바이오메디컬공학전공 김태형 교수님 지도 하에 진행되었으며, 제가 소속된 바이오-나노공학 및 센싱 기술 연구실 (https://bestlaboratory.wixsite.com/best)은 전기화학 기반 세포 신호 분석 기술/플랫폼 개발 연구와 함께 나노/마이크로 구조체 제작 기술을 이용한 줄기세포 거동 제어 및 분화 모니터링 용 플랫폼 개발 연구, 그리고 3차원 세포/조직 배양 기술 및 약물 스크리닝 기술 개발 연구를 수행하고 있습니다. 최근에는 다양한 분야의 연구 및 의료기관, 대학기관과 협력하여 체내 조직 및 뇌, 간 등 다양한 장기 유래 오가노이드 평가용 플랫폼 개발 연구도 함께 활발히 진행되고 있습니다.
3. 연구 활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람
본 논문은 청소로부터 아이디어를 떠올리게 되었는데요. 플랫폼의 확장을 위해 고민하던 찰나에 연구실 내 물건들을 정리하다 보니 새로운 플랫폼에 접목시킬 수 있을법한 물질을 발견하게 되었고, 이를 기반으로 발전해나가 논문 출판까지 이를 수 있었습니다. 혹자는 우연과 상상을 통해 만들어졌다고 볼 수도 있겠지만, 문제 해결을 위한 관심과 집중의 끈을 유지하였기에 해낼 수 있었다고 생각합니다. 또한, 새로운 아이디어를 구체화하고 과학적인 접근을 통해 논문을 출판하는 것은 혼자만의 힘으로는 해내기 어렵기에 교수님 및 많은 연구실 동료들의 도움 하에 합작하여 논문을 출판할 수 있었습니다. 연구에 대한 지속적인 관심과 동일한 목표를 향해 함께해줄 동료들이 있기에 앞으로의 연구활동이 기대되고, 궁극적으로는 아주 미약하더라도 사회에 도움이 될 수 있는 연구결과를 도출해나가고 싶습니다.
4. 이 분야로 진학하려는 후배들 또는 유학준비생들에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면?
대학원이라는 공간에서 처음 연구를 시작하게 될 때, 저는 석사과정동안 아이디어로부터 논문 출판까지의 과정을 스스로의 힘으로 해내고 싶다는 목표 하에 연구에 임했었습니다. 입학 후 3년이 넘어가는 시점에서 돌이켜보니 참 크고도 어려운 목표임을 깨닫게 되네요. 그 기간동안 많은 실패와 어려움 속에서 조급해하기도 하고, 불안한 시간들을 겪었던 것 같습니다. 그럼에도 불구하고, 연구실 동료들과 교수님의 도움 속에서 방향 설정을 올바르게 하고, 포기하지 않는 마음 속에서 작은 진전을 쌓아 나간다면 좋은 결과를 얻을 수 있을 것이라고 생각합니다.
5. 연구 활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?
전기화학탐지 기술을 기반으로, 특정 세포의 대사과정을 간접적으로 탐지해내고 이를 구분하거나, 줄기세포 및 오가노이드의 분화 및 발달과정 모니터링 및 성숙도를 평가하는 등의 연구를 진행하고자 합니다. 더 나아가, 기술의 고도화를 통해 전기화학탐지 기술이 미토콘드리아의 기능을 확인할 수 있는 모델로서 사용될 수 있도록 후속 연구를 이어나가고자 합니다.
6. 다른 하시고 싶은 이야기들.....
모든 것을 가능하게 해 주신 하나님 아버지께 감사드립니다. 그리고 연구에 대해 무지했던 저를 성장할 수 있도록 아낌없이 지도해주신 김태형 교수님과, 연구자의 길을 열어주신 정용호 교수님께 큰 감사드립니다. 또한, 처음부터 언제나 가족처럼 저를 대해주는 저희 모든 BEST 연구실 동료와 공동 1저자로서 함께 연구의 고민을 나누고 이끌어나가준 경모형이 있었기에 좋은 성과를 낼 수 있었습니다. 앞으로 더욱 정진하여 좋은 연구를 통해 보답할 수 있는 연구자가 될 수 있도록 노력하겠습니다. 마지막으로, 늘 든든하고 전폭적인 지지를 보내주시는 저희 부모님과 친형, 그리고 정민이에게도 진심으로 감사의 인사를 드립니다.
#Long-term electrochemical monitoring
#Thermal annealing
#Gold nanostructure platform
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