신소재공학과 육종민 교수와 경북대학교 한영기 교수 공동연구팀이 살아있는 세포를 전자현미경으로 관찰하는 데 성공했다. 이번 연구 결과는 지난 5월 5일 <나노 레터스(Nano Letters)> 온라인판에 게재되었으며, 6월호 표지논문으로 선정됐다.

죽은 세포 관찰만 가능한 전자현미경
 최근 세계적으로 유행하고 있는 코로나19는 바이러스에 의해 일어나는 질병이다. 바이러스가 어떻게 세포를 감염시키고, 행동하는지 관찰하는 것은 신약개발을 위해 중요하다. 바이러스뿐만 아니라 다양한 세포를 살아있는 상태로 관찰하는 것은 세포의 행동을 이해하는 데 큰 도움을 준다. 최근 개발된 공초점 레이저주사현미경은 형광물질을 표지한 살아있는 세포를 가시광선이나 자외선 영역의 레이저를 통해 관찰하는 기술이다. 이러한 광학 기반의 현미경은 전자현미경보다 분해능이 낮지만, 전자현미경은 시료를 동결시키거나 약품으로 처리해 죽은 상태의 세포만을 관찰할 수 있어 전자현미경을 통한 살아있는 세포의 관찰은 어려우리라 생각되었다.

그래핀으로 세포를 배지와 함께 덮어 
 이번 연구에서는 투과전자현미경이 아니라 주사전자현미경을 사용했다. 전자빔이 투과하며 상이 생기는 투과전자현미경은 얇은 시료에는 적합하지만, 크기가 커서 두꺼운 세포를 대상으로 하는 이번 연구에는 적합하지 않기 때문이다. 연구팀은 그래핀의 물리적 성질을 고려해 이를 이용한 시료 보호 기술을 개발했다. 그래핀은 수면에 뜰 수 있어 물의 표면장력을 이용하면 증발을 통해 원하는 물체 표면에 쉽게 부착할 수 있다. 이를 이용해 연구진은 실리콘 기판 위에 박테리아가 담긴 액상 배지와 그래핀을 함께 도포한 뒤, 건조를 통해 실리콘과 그래핀을 밀착시켰다. 이때, 그래핀과 실리콘 사이에 액체 배지와 함께 살아있는 박테리아가 갇히게 했다. 전자현미경 내부는 고진공 상태이기 때문에 시료의 탈수가 일어날 수 있지만, 그래핀을 활용하면 큰 액체나 기체 분자들이 통과할 수 없어 세포의 탈수를 막을 수 있다. 또한, 그래핀은 강한 강도를 가지고 있어 진공에 의해 세포가 터지지 않도록 구조를 고정해 준다.

전자빔에 의해 손상되는 세포 보호해
 시료가 전자빔에 노출되면 전자의 강한 에너지에 의해 구조가 변형될 수 있다. 세포의 구조 손상은 직접적인 에너지 전달에 의해 일어나는 것이 아니라, 전자에 의해 분해되어 생기는 고반응성의 라디칼에 의해 일어난다. 그래핀은 액상 환경에서 생성된 라디칼을 흡수해 농도를 낮추기 때문에 라디칼에 의한 세포벽 손상을 막는다. 또한, 시료가 전자빔에 오랜 시간 동안 노출되면 표면에 전자가 축적되며 상이 왜곡되는 차징 효과(Charging Effect)가 일어날 수 있다. 그래핀은 높은 전기 전도성을 가지고 있기 때문에 표면의 전자를 외부로 확산시켜 상의 왜곡을 줄이고, 높은 열 전도도를 가져 전자의 충돌에 의해 국부적으로 상승할 수 있는 온도를 감소시켜 준다.

세포막과 성장이 정상적으로 유지돼
 연구팀은 새로운 방법으로 처리한 시료가 전자현미경에서 잘 관찰되는지 확인했다. 또한, 처리한 시료의 세포가 살아있는지 확인하기 위해 형광 염색 시험을 진행했다. 이 시험은 크기가 달라 투과성이 다른 형광물질에 세포를 노출해 막이 정상적으로 기능하는지 확인하는 것이다. 막이 정상이라면 크기가 작아 막을 투과할 수 있는 염료에 의해서만 내부 염색이 이루어진다. 시험 결과 세포막이 완전히 기능을 유지한다는 것을 확인했고, 해당 세포를 배지에서 배양하며 성장곡선을 관찰한 결과 정상적인 곡선을 보여 그래핀이 세포를 온전히 보호함을 확인했다.

 육 교수는 “형광 현미경 등 광학 기반의 관찰에서 볼 수 없었던 미시적 스케일의 세포 활동을 관찰할 수 있게 되면서 각종 기초연구는 물론 신약 개발에도 적용 가능할 것이다”라며 연구의 활용 가능성을 전했다.