세포의 반자성을 강화하여 비표지 방식으로 제어하는 자성 패턴 개념도. 자성 유체를 주변에 채우면, 반자성체인 세포 내부는 자기장의 밀도가 주변 공간보다 상대적으로 더 낮아지게 되고 결과적으로 유사반자성을 만들 수 있다. ⓒDGIST

DGIST 신물질과학전공 김철기 교수팀,
다중 세포를 정교하게 개별 제어가 가능한 자성(磁性) 트위징 플랫폼 기술 개발 

DGIST는 신물질과학전공 김철기 교수 연구팀이 자성(磁性)을 이용해 다중 세포를 제어, 분석하는 자성 트위징 기술을 개발했다고 밝혔다. 정밀한 개별 세포 분석이 더욱 용이해져, 질병 맞춤 치료나 신약개발 등 바이오 의학 분야 연구에 획기적인 원천기술이 될 전망이다.

생명체를 이루는 세포는 다양한 분화작용을 통해 스스로 성장하고 조절한다. 이러한 세포가 비정상적인 작동을 하면 각종 질환이나 암세포를 유발한다. 이러한 수많은 세포들이 가진 각기 다른 특성 때문에 세포 상호작용 등을 밝혀내기 위한 단일 세포 연구가 필요하다.

단일 세포 연구는 여러 세포들이 섞이지 않도록 격리하는 기술이 중요하다. 현재까지는 광압(光壓)을 이용해 힘을 주어 세포를 움직이게 하는 광학트위저(optical tweezers) 기술 등이 주로 사용되고 있다. 이는 각기 다른 세포를 구분하기 위해 형광 라벨링을 이용한 이미지인식 처리 등 외부적인 프로세싱이 별도로 필요하다. 또한 기존의 자성 기반 기술들은 단일 세포 제어를 위해 세포 표면이 가지는 사전 정보가 필요해 추가적인 공정과 비용이 발생한다.

이에 DGIST 김철기 교수 연구팀은 자기장 제어로 간단하고 효과적으로 수천 개의 세포와 초상자성(superparamagnetic) 입자를 제어하는 데 성공했다. 초상자성 입자란 세포를 움직이는 운반자 역할을 하는 미세한 자성체인데, 세포 주변의 공간에 이를 채워 넣어 특정 세포를 정밀하게 제어할 수 있게 됐다.

또한 연구팀은 특수한 형상의 미세 자성 패턴으로 각 세포를 패턴에 따라 움직여 크기별로 분류한 뒤에 원하는 위치에 개별적으로 다중의 세포를 포집할 수 있었다. 이는 패턴이 자체적으로 대상을 판단하기 때문에 기존까지의 외부 설비가 필요 없는 장점이 있다.

3차원 에너지 그래프에서 파란 색으로 표시되는 최저점에는 자성 비드가, 빨간색으로 표시되는 최대 점에는 반자성 비드가 위치할 수 있다.
(a) 원형 미세 자석과 그 주변에서 만들어진 자성체를 기준으로 한 자기에너지의 형상.
(b, c) 직경 2.8 μm 자성 비드와 양각 자성 패턴의 전자현미경 이미지.
(d, e) 미세 자석 주변 자성, 반자성 비드의 위치를 나타내는 광학 및 형광 이미지.
(f) 원형 미세 구멍이 있는 자석과 그 주변에서 만들어진 자성체를 기준으로 한 자기에너지의 형상.
(g, h) 직경 3.57 μm 반자성 비드와 음각 자성 패턴의 전자현미경 이미지.
(i, j) 미세 자석 주변 자성, 반자성 비드의 위치를 나타내는 광학 및 형광 이미지. ⓒDGIST

연구팀은 더 나아가 자성체의 응집 문제 등 기존의 자성 기반 플랫폼이 가진 한계를 보완한 자성 트위징 플랫폼을 자체 개발했다. 연구팀은 실험을 통해 의도적으로 대칭을 무너트린 자성 패턴으로 수백 개의 위치에서 동시에 응집된 자성체를 동일한 간격으로 분리해내는 데 성공했다.

제1저자인 김현설 박사과정생은 “미세 자석의 형태를 변경하는 것만으로 복잡한 장비와 동일한 결과를 얻는 것이 가장 큰 장점”라며, “복잡한 설정 없이 회전자기장의 각도만으로 제어가 가능하다”고 설명했다.

김철기 교수는 “기존의 표지(標識)된 세포만을 분리하는 기술을 넘어, 표지된 세포와 비표지된 세포 양쪽 모두를 목적별로 개별 제어하는 기술을 최초 개발했다”며, “세포에 가장 영향을 적게 주는 자기장을 기반으로 해, 단일 세포 규모의 연구와 각종 조기 진단, 맞춤의학 등의 활용이 기대된다”고 밝혔다.

또한, “실용화까지 3년~4년의 시간이 필요할 것으로 보인다. 실용화를 위해서는 큰 힘을 발생 시킬 수 있도록 높은 농도의 자성 유체를 사용해야한다. 기존의 자성 유체에서는 일정 농도 이상이 되면 세포에 독성을 보이므로 생체 친화적인 자성 유체 개발이 필요하다. 또한, 진단에 사용하기 위해서 회전자기장을 발생 시키는 설비를 간소화화여 시스템을 소형화 할 필요가 있다.”며 앞으로의 과제에 대하여도 언급했다.

한편, 이번 연구 결과는 세계적 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 5월 21일자 온라인 게재와 더불어 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’에 6월 26일자 표지논문으로 채택됐다. 아울러 과학기술정보통신부의 지원과 한국연구재단 선도연구과제인 자성기반라이프케어연구센터 및 삼성전자 미래기술육성센터의 지원을 받아 진행됐다.