한빛사 인터뷰
- 등록2025-04-16
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1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드
세포 내 대사는 에너지 생성과 항상성 유지에 필수적인 생명 현상으로, 대사 이상은 암, 신경퇴행성 질환, 면역 질환 등 다양한 질병과 밀접하게 연관되어 있습니다. 그러나 기존 연구들은 주로 고정된 세포 샘플을 기반으로 대사 관련 지표를 측정하거나, 세포 집단 전체의 평균 신호를 분석하는 방식에 의존해왔습니다. 이러한 방법들은 실시간 관찰이 어렵고, 측정 과정에서 포토블리칭(Photobleaching)과 같은 광손상이나 시간에 따른 동적 변화를 포착하지 못하는 한계를 가지고 있어, 살아있는 세포 내 소기관 단위의 미세한 대사 변화를 정밀하게 모니터링하는 데에는 제약이 있었습니다.
최근 생명과학 및 바이오 센싱 분야에서는 양자 센서를 활용하여 생체 환경 변화를 정밀하게 감지하려는 연구가 활발히 이루어지고 있습니다. 그중에서도 나노다이아몬드 내 질소-공석 결함(Nitrogen-Vacancy, NV 센터)을 이용한 양자 온도센서는 주변 온도 변화에 민감하게 반응하는 특성을 가져, 생체 내 미세 환경의 변화를 감지하는 데 활용되고 있습니다. 하지만 보다 정밀하고 정확한 분석을 위해서는 해당 온도센서를 세포 내에 무작위로 분포시키는 방식만으로는 한계가 있었고, 특정 소기관에 위치시켜 대사 상태를 직접 관찰할 수 있는 방법이 필요했습니다.
저희 연구팀은 나노다이아몬드 표면에 화학 반응을 이용하여 항체를 결합하고, 사용하는 항체의 종류에 따라 미토콘드리아, 핵, 세포막 등 다양한 세포 소기관에 정밀하게 표적화하는 방법을 구현했습니다. 이를 통해 대사 변동에 따른 소기관별 온도 변화를 실시간 및 고해상도로 모니터링할 수 있는 시스템을 구축할 수 있었습니다. 특히, 세포의 에너지 대사원인 ATP의 합성을 저해했을 때 미토콘드리아 온도의 변화를 실시간으로 측정하는 데 성공하여, 살아있는 세포 내 국소적인 대사 상태를 감지할 수 있음을 확인했습니다.
이번 연구 결과는 Journal of the American Chemical Society(JACS)에 표지논문으로 소개되는 뜻깊은 기회를 얻을 수 있었습니다. 앞으로 양자 센서를 활용한 정밀 바이오 센싱 기술이 다양한 질병의 조기 진단과 치료 표적 발굴에 활용될 수 있기를 기대합니다. 또한, 나노다이아몬드 기반 양자 온도센서를 이용한 세포 수준의 실시간 대사 모니터링 기술이 생명과학과 바이오 메디컬 분야에서도 새로운 연구 방향을 제시하는 데 기여할 수 있기를 희망합니다.
2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁드립니다.
제가 소속된 연구실은 한양대학교 화학과 이진석 교수님의 기능성 나노바이오 인터페이스 연구실(Functional Nanobio Interface Laboratory)입니다. 연구실 이름에서도 알 수 있듯이, 저희 연구실은 다양한 나노 소재를 기반으로 바이오 분야에 응용할 수 있는 기술을 개발하는 데 주력하고 있습니다. 특히 저는 나노다이아몬드를 활용하여 세포 내 미세 환경을 정밀하게 측정하고, 대사 변동성을 실시간으로 모니터링할 수 있는 양자 바이오 센싱 연구를 수행하고 있습니다.
이번 연구는 서울대학교 물리학과 김도헌 교수님 연구팀과의 공동연구로 진행되었습니다. 김도헌 교수님 연구팀은 양자 센서의 물리적 특성 이해와 제어에 강점을 보유하고 있으며, 이번 연구에서 화학, 생명과학, 양자 물리학을 융합하여 나노다이아몬드 기반 양자 온도센서의 바이오 메디컬 응용 가능성을 확장할 수 있었습니다.
3. 연구 활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람
석사 과정 동안 저는 이진석 교수님 연구실에서 주로 CVD(Chemical vapor deposition) 혹은 MOCVD(Metal organic chemical vapor deposition)를 이용해 이차원 물질이나 나노와이어를 합성하고, Raman 분광법과 PL(Photoluminescence) 등을 측정하는 재료 기반 연구를 진행했습니다. 연구 초기에는 재료 합성과 물성 측정에 집중했기 때문에, 생명과학이나 세포 관련 실험과는 다소 거리가 있었습니다.
박사과정으로 진학하면서 세포 실험을 처음 접하게 되었고, 새로운 분야에 도전하는 과정은 저에게 늘 흥미로운 경험이었습니다. 생명과학 실험이 처음이었지만, 낯설기보다는 끊임없이 새로운 것을 배우고 적용해보는 과정 자체가 재미있었고, 연구에 대한 흥미를 더욱 키울 수 있는 계기가 되었습니다.
현재는 연구실 내에서 거의 모든 장비를 자유롭게 다룰 수 있을 정도로 폭넓은 실험 경험을 쌓을 수 있었고, 이 과정에서 한 분야에 국한되지 않고 융합적인 연구를 수행할 수 있는 자신감을 얻었습니다. 다양한 분야를 넘나들며 새로운 기술을 익히고 적용해 볼 수 있었던 경험은 앞으로 연구자로서 성장하는 데에도 큰 자산이 될 것이라고 생각합니다.
4. 이 분야로 진학하려는 후배들 또는 유학준비생들에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면?
특정 연구 분야에 국한되지 않고, 대학원 진학을 준비 중이거나 대학원 생활을 시작하거나 진행 중인 분들께 작은 도움이 되었으면 하는 마음으로 조심스럽게 말씀드리자면, 대학원 생활을 하다 보면 예상치 못한 어려움이나 고민을 마주하는 순간들이 빈번히 찾아올 수 있습니다. 하지만 이러한 순간들 또한 더 멋진 연구자로 성장하기 위한 과정이라는 마음으로 매일을 차근차근 쌓아간다면 분명 본인만의 속도로 앞으로 나아갈 수 있을 것입니다. 하루 전보다 오늘, 지난주보다 이번 주에 알게 모르게 발전해 있는 스스로의 모습을 발견하게 될 것이며 그렇게 쌓인 시간들이 결국 스스로에게 가장 큰 힘이 되어줄 것이라고 믿습니다.
무엇보다도 연구에 대한 호기심과 흥미를 소중히 여기면서, 연구를 즐기는 마음을 끝까지 놓지 않기를 바랍니다. 늘 긍정적인 마인드를 잃지 않고 연구실의 선후배 및 동료들과 작은 성취에도 함께 기뻐하며 자신과 자신의 연구를 세상에서 가장 소중하게 여기는 마음으로 하루하루를 의미 있게 쌓아간다면, 분명 자신만의 빛나는 길을 만들어갈 수 있을 것입니다.
5. 연구 활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?
현재는 이번 연구의 후속 연구로, 나노다이아몬드 기반 양자 온도센서를 다른 세포에 적용하여 특정 기능을 가진 세포의 대사 변화를 관찰하는 실험을 진행하고 있습니다. 이 연구 결과는 현재 논문으로 정리하고 있으며, 곧 투고하여 좋은 결과를 얻을 수 있도록 최선을 다하고 있습니다.
또한, 세포에 특정 상황을 인위적으로 발현시킨 뒤, 이 과정에서 나타나는 대사 변화를 정밀하게 관찰하는 실험도 병행하고 있습니다. 이를 통해 양자 바이오 센싱 기술의 적용 범위를 더욱 확장하고, 세포 기능 조절 연구에도 기여할 수 있는 결과를 도출하고자 합니다. 향후에는 현재 진행 중인 연구들을 성공적으로 마무리하고, 해외 유학을 통해 다양한 연구 환경에서 경험의 폭을 더욱 넓히고 싶습니다. 연구적 도전을 이어가며, 흥미로우면서도 의미 있는 연구를 지속적으로 이어가는 것을 목표로 하고 있습니다.
6. 다른 하시고 싶은 이야기들.....
이번 연구를 진행하는 과정에서 도움을 주신 많은 분들께 이 자리를 빌려 진심으로 감사의 말씀을 전하고 싶습니다.
항상 배움의 자세를 잃지 않도록 지도해주신 이진석 교수님께 감사드리며, 측정 셋업 구축 과정에서 수많은 시행착오에도 끝까지 함께 고군분투해주신 김기호 박사님께 감사를 전합니다.
또한, 연구 전반에 걸쳐 꾸준히 믿고 지지해주신 김도헌 교수님, 학위 과정 내내 따뜻한 응원과 격려를 보내주신 노동윤 교수님, 그리고 함께 연구실 생활을 하며 언제나 힘이 되어준 든든하고 귀여운 연구실 후배들에게도 감사드립니다.
앞으로도 흥미롭고 의미 있는 연구를 꾸준히 이어가며, 학문과 사회에 긍정적인 영향을 줄 수 있도록 노력하겠습니다. 각자의 자리에서 묵묵히 도전하며 성장해 나가고 있는 모든 분들이, 자신만의 길을 만들어가시길 진심으로 응원합니다.
#나노다이아몬드 (Nanodiamond)
#양자 바이오센싱 (Quantum Biosensing)
#세포 대사 모니터링 (Cellular Metabolism Monitoring)
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