한빛사 인터뷰
- 등록2024-06-26
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1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드
엑소좀 (exosome)은 세포에서 유래된 50~150nm 크기의 세포외소포체로, 핵산과 단백질 등을 내포하여 타겟 세포에 전달하는 세포 간 정보 교환의 역할을 합니다. 엑소좀은 다양한 질병의 진단마커로서뿐만 아니라 약물 전달체, 치료제로서의 가능성이 확인되어 많은 연구가 이루어지고 있습니다.
엑소좀 분리에는 초원심분리(ultracentrifuge), 한외여과(ultrafiltration), 면역 혹은 화학 침전(immune or chemical precipitation), 크기 배제 크로마토그래피(size-exclusion chromatography) 등의 방법이 사용됩니다. 하지만, 초원심분리와 한외여과는 분리시 가해지는 압력에 의해 엑소좀의 응집과 손상을 일으켜 기능 상실의 문제가 있으며, 침전 법은 처리량이 낮고 화학물질에 의한 오염 가능성이 있습니다. 또한, 크기 배제 크로마토그래피를 이용한 엑소좀 분리 방법은 크기가 불균일하고, 처리량이 낮으며, 시료의 연속 주입이 불가능합니다. 요약하면, 현존 분리기술들은 i) 물리적 손상과 뭉침, ii) 비가역적 화학반응 사용, iii) 대용량 처리불가 등 인체재주입 관점에서 결함이 존재합니다.
엑소좀의 물리적 방법에 의한 분리가 어려운 이유는 크기가 매우 작기 때문입니다. 한 예로, 원심분리의 힘은 입자의 부피에 비례하지만, 원심분리를 가로막는 마찰은 입자의 면적에 비례합니다. 따라서, 엑소좀과 같이 100nm 수준으로 작은 물질을 분리하기에는 매우 비효율적인 방법이 됩니다. 반면, 브라운 운동으로 대변되는 확산은 입자의 크기가 작을수록 효율이 높아져 아래 그림과 같이 200nm pore와 50nm pore를 통해 각각 apoptotic body와 soluble protein으로부터 엑소좀을 분리하는데에 적용하기 적절합니다.
PC (polycarbonate) membrane, AAO(anodized aluminium oxide) 등 상용 나노다공성막 중에는 이러한 분리에 적합한 것이 존재하지 않습니다. AAO는 다공성이 높고 pore 직경이 매우 균일한 장점이 있으나, 깨지기 쉬워 충분히 얇고 넓게 만들기 어려운 단점이 있습니다. PC membrane은 기계적 강도가 높으나 다공성이 충분히 높지 않고, 막이 두꺼워 pore라기보다는 터널에 가깝습니다. 확산의 효율은 pore 길이의 제곱에 반비례하여 떨어지기 때문에, 이 두께를 줄이는 것이 확산에 의한 엑소좀 분리의 효율을 높이는데 매우 중요한 요소입니다.
본 연구에서는 높은 다공성, 수백 나노 수준의 얇은 두께, 높은 강도를 가지는 대면적 (4inch wafer 수준)의 나노체(nanosieve)를 개발하였습니다. 높은 강도를 가지는 free-standing 초박막을 제작하기 위해 silicon nitride를 소재로 사용하였습니다. 또한, 200nm와 50nm pore 나노체를 제작하기 위해 Langmuir-Blodgett을 통한 대면적 nanolithography를 고안하였습니다. 초박막의 특성상 나노 패턴에 조금의 균열이라도 있다면 박막이 파괴될 수 있기 때문에 4인치 웨이퍼에 200 nm와 50 nm pore 패턴을 균일하게 형성시키는 방법을 고안하는 데에 많은 시간이 소요되었습니다. 제작된 나노체를 통해 확산을 기반으로 화학적 오염과 물리적인 손상 없이 엑소좀을 분리하는 시스템의 유효성을 검증하였고, 성능을 기존 분리기술과 정량적으로 비교 검증하였습니다.
2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁드립니다.
고려대학교 바이오의공학부 Diagnostic Platform Experts Group은 천홍구 교수님의 지도 아래 MEMS/NEMS와 전기공학을 생명과학 기술에 접목하여 질병 진단 및 치료제 개발을 위한 플랫폼 기술을 연구하고 있습니다. 최근에는 엑소좀, 바이러스 등의 나노입자 분리를 위한 박막 제작 및 유압제어를 통한 분리 장치를 개발하였습니다. 또한, 유전체 치료제 및 data storage로 활용하기 위한 고효율 de novo DNA 합성 기술을 연구하고 있습니다.
3. 연구 활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람
이번 연구에서 대면적의 초박막 나노체를 통해 엑소좀의 확산 기반 분리를 실현하는 것이 목표였습니다. 이를 위해 가장 중요한 것은 안정적으로 초박막을 제조하는 방법이었습니다. 수많은 실패를 겪으며, 아무리 독창적인 아이디어라도 현실로 구현하지 못한다면 그 가치는 제한적이라는 것을 느꼈습니다. 지도 교수님과 동료 연구원들과의 논의와 격려를 통해 다양한 방법을 시도할 수 있었고, 그 결과 연구를 완성할 수 있었습니다. 항상 귀중한 조언을 아끼지 않으시는 지도 교수님과 동료 연구자분들께 깊이 감사드립니다.
4. 이 분야로 진학하려는 후배들 또는 유학준비생들에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면?
연구는 많은 어려움을 동반하며, 실패를 통해 배우는 과정입니다. 따라서, 끈기를 가지고 계속해서 도전하는 자세가 필요합니다. 또한, 의공학과 같은 다학제간의 연구가 필수인 곳에서는 다양한 지식의 습득도 중요하지만, 여러 연구 스킬을 가진 주변의 동료 연구원들과의 좋은 관계를 가지는 것이 큰 도움이 될 수 있습니다. 대화를 통해 문제 해결을 위한 실마리를 얻을 수 있기 때문입니다. 따라서, 항상 열린 마음으로 주변 동료 연구자들의 이야기를 듣는 것이 중요합니다. 이를 통해 연구 과정에서 예기치 않은 도움을 받을 수 있으며, 협력과 소통을 통해 더 나은 연구 결과를 도출할 수 있습니다.
5. 연구 활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?
앞으로의 연구 계획은 현재 개발한 나노체 기반 엑소좀 분리 시스템을 가속화할 수 있는 기술을 개발하는 것입니다. 현재 엑소좀 분리에 적용할 초박막과 유압 제어 시스템이 각각 완성되어, 이 둘을 결합하면 고효율의 산업적으로 적용 가능한 분리 시스템이 될 것이라고 기대하고 있습니다. 또한, 완성된 초박막을 활용한 다른 연구들도 계획 중입니다. 예를 들어, 나노다공성 막 위에서 세포를 배양하고, 전기 자극을 통해 유전체를 삽입하거나 엑소좀에 약물을 주입할 수 있는 방법들을 모색하고 있습니다.
6. 다른 하시고 싶은 이야기들.....
항상 아낌없는 조언과 지원으로 연구를 지속할 수 있게 해주신 천홍구 교수님께 깊은 감사를 드립니다. 또한, 저와 함께 연구를 진행했던 서민규 박사과정 학생에게도 감사의 말씀을 전하고 싶습니다. 실험이 잘되지 않을 때 함께 웃으며 이야기 나눌 수 있었던 연구실 동료들에게도 감사드립니다. 마지막으로, 늘 응원해 주시는 부모님과 끊임없는 사랑으로 저를 지원해 주는 아내에게 감사와 사랑의 마음을 전합니다.
#Exosome
# diffusion-based separation
# silicon nitride nanosieve
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