한빛사 인터뷰
- 등록2025-01-08
- 조회325
1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드
본 연구는 레이저가 나노크기로 작아지면 형광단백질 (Fluorescent Protein)이나 양자점 (Quantum Dot)과 처럼 단백질이나 세포구조물에 붙여서 분자영상화 물질 (Imaging probe)로 쓸 수 있을까에 대한 호기심에서 시작되었습니다. 레이저는 상온에서 선폭이 얇은 결맞은 빛 (< 1 나노미터)을 증폭 방출할수 있고 디바이스 크기를 조절하여 방출되는 레이저 색깔을 정할 수 있어서 위에 언급된 두 물질 (선폭 ~ 100 나노미터)과 다르게 다양한 색깔을 만들 수 있는 점이 장점입니다.
저희는 지난 10년간 다양한 반도체 물질과 금속 플라즈몬 현상을 이용한 레이저 소형화에 대한 물리 연구를 해왔고, 본 연구는 그 노력의 결과물 중 하나입니다. 금속 플라즈몬의 흡수가 적은 근적외선 대역을 광증폭능력이 큰 반도체물질을 사용하여 레이저 소형화를 근본적인 광학회절한계인 반파장 크기까지 이뤄냈습니다. 참고로 선행 연구들에서는 극저온에서 파장 크기의 레이저까지 관찰 되었었습니다.
저희가 가장 작은 크기로 관찰한 레이저입자는 170 나노미터이고 금판위에 놓여져있습니다. 나오는 레이저 빛은 1060 나노미터로 빛의 파장 크기보다 6배정도 작습니다. 저희는 한발짝 더 나아가 이 입자에 금을 입혀 레이저를 자립적인 형태로 만들어 세포안에 전달할 있었습니다. 세포는 거식작용을 통해 세포 미디어에 놓여있는 금속 나노레이저 입자를 세포질로 받아들입니다. 세포안에 있는 나노레이저입자에 외부에서 빛을 쪼여주면 그 빛을 흡수해 근적외선 대역에서 레이저 빛을 방출하고, 색깔은 현미경과 함께 설치된 분광기로 비침투적으로 읽어내게 됩니다. 단일 세포 및 세포 구조물에 고유한 색을 부여하는 나노레이저 광학 바코딩 기술은 마이크로미터보다 작은 크기의 다양한 움직이는 세포를 실시간으로 현미경으로 추적할 수 있게 해줍니다. 더 나아가, 현미경으로 관찰한 같은 대상을 다른 분석 장비를 사용하더라도 바코딩을 통해 고유한 정보가 섞이지 않도록 특성을 분석할 수 있으며, 군집 내 이질성(heterogeneity)을 밝히는 오믹스 연구에 기여할 수 있습니다. 나노레이저가 현재 크기보다 100nm 이하로 축소된다면, 세포 구조물에 부착하여 초고해상도 이미징과 다양한 분자 간 상호작용을 추적하고 관찰하는 기술로 발전할 수 있습니다.
2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁드립니다.
본 연구를 진행한 곳은 하버드 의과대학 및 메사추세츠 종합 병원 산하 웰만 광의학 센터의 윤석현 교수님 연구실입니다. 저희 웰만 광의학 센터는 인간에 대한 빛의 영향과 빛을 이용한 최소 침습적 진단 및 치료 기술 개발을 연구하는 세계 최대의 학술 연구 시설입니다. 윤석현 교수님께서는 2005년부터 본 연구소에서 재직중이시고, 광학 간섭 단층 촬영 현미경 (Optical coherence tomography), 브릴루앙 세포 현미경 (Brillouin microscopy) 및 레이저 입자 기술 그리고 광치료에 대한 선구적인 연구를 하고 계십니다.
3. 연구 활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람
저희가 가진 질문 (작은 레이저의 분자영상화 물질로서의 응용)에 대한 답을 하기 위해 기초연구부터 진행하였고, 의학 연구 기관이지만 나노 광학 및 레이저 물리 분야에서의 의미있는 결과로까지 이어질 수 있었습니다. 10년 넘게 재현이 안되어 학계에서는 의구심을 가지고 있지만 아직 철회되지 않은 네이처 논문을 비롯한 논란이 있는 작은 레이저 논문들을 공개적으로 논의 하는데 까지 나아갔습니다. 반파장레이저를 실험적으로 처음 관찰한 후에 이 현상이 무엇일까 하며 다음날 출근길에 골똘히 고민하다가 국소플라즈몬공명 (Localized plasmonic resonance)와 전파되는 표면플라즈몬 (Propagating surface plasmon) 현상이 만나는 크기의 지점이라는 걸 우연히 떠올리면서 실마리를 찾은 순간이 가장 기억에 남습니다.
4. 이 분야로 진학하려는 후배들 또는 유학준비생들에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면?
지난 10년간 박사과정 및 박사후 연구원 과정을 MIT와 하버드 대학에서 보내면서 정말 많은 분들께 배우고 자극을 받을 수 있었습니다. 특이한 생각을 많이 하고, 세상에 아직 밝혀지지 않은 과학 현상들을 처음 발견하고자 하는 열망을 가진 사람들이 다른 곳보다 조금 더 밀집되어 있는 곳에서 생활하는 기쁨이 많았습니다. 마라톤과 같은 긴 호흡이 필요한 연구 생활을 지치지 않으면서 할 수 있는 끈기와 새로운 발견에 대한 용기있는 호기심, 외국생활을 통해 삶의 가치관을 확장하고 싶은 분들이라면 외국에서 공부해보는 것이 좋은 경험이 될 것이라 생각합니다. 다양한 학문의 연결은 많은 창의적인 연구를 만들어낸다고 생각합니다. 가장 멀리 떨어져 보이는 두 학문을 연결해보는 일에 도전해보세요.
5. 연구 활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?
세상에서 가장 작은 레이저에 대한 논문 출간은 이제 호기심에서 시작된 연구가 본격적으로 시작되었음을 의미합니다. 제가 세운 기록보다 더 작은 크기의 레이저를 깊은 물리 연구를 통해 이루어 내고, 녹색형광단백질이나 양자점처럼 의생명학자들의 연구에 조금이나마 도움이 될 수있는 작은 레이저 입자로 발전시켜 나가고 싶습니다.
6. 다른 하시고 싶은 이야기들.....
무엇보다 오랜시간동안 저를 지도해주신 윤석현 교수님께 감사하다는 말씀을 드리고 싶습니다. 교수님의 끊임없는 지원과 응원덕분에 열정을 가지고 꾸준히 연구 할 수 있었습니다. 또한 본 논문에 공저자로서 도움을 주신 니콜라 마르티노 박사님과 연구실의 다른 동료 연구자분들께도 진심으로 감사하다는 말씀을 남깁니다.
#나노레이저
#바이오광학
#바코딩
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