AI 접목 국산장비로 살아있는 세포속 물질 실시간 분석

기초지원연, AI·3차원 홀로그래피 장비 활용 물질 분석기술 개발
토모큐브와 박용근 KAIST 교수팀이 장기간 축적한 노하우 활용
기초지원연과 중앙대 연구팀이 AI를 접목한 3차원 홀로그래피 기술로 살아있는 상태의 세포 속 물질의 변화를 측정하는데 성공했다. 사진은 거품세포 및 살아있는 세포(대조군)에 대한 약물 처리 후.<사진= 한국기초과학지원연구원> 기초지원연과 중앙대 연구팀이 AI를 접목한 3차원 홀로그래피 기술로 살아있는 상태의 세포 속 물질의 변화를 측정하는데 성공했다. 사진은 거품세포 및 살아있는 세포(대조군)에 대한 약물 처리 후.<사진= 한국기초과학지원연구원>

염색 등 전처리 과정없이 살아있는 상태의 세포를 실시간 관찰하며 세포내 물질의 양적 변화를 측정할 수 있는 분석기술이 개발돼 치료제 연구에 활용될 것으로 기대된다. 특히 국산 연구장비를 활용한 성과로 국산 장비의 신뢰도도 높아질 것으로 전망된다.

한국기초과학지원연구원(원장 신형식)은 광주센터의 이성수 박사 연구팀과 중앙대학교 시스템생명공학과의 박경순 교수 연구팀이 인공지능 기반 3차원 홀로그래피 기술로 특정세포를 인식하고 세포의 굴절률 측정, 특정물질의 양을 분석할 수 있는 기술을 개발했다고 26일 밝혔다.

그동안 세포내 물질을 정량적으로 분석하는데 염색약을 이용했다. 하지만 화학물질인 염색약이 세포에 미치는 영향과 유해성이 분석의 정확성을 떨어뜨릴 수 있다는 문제가 지속돼 왔다.

연구팀이 개발한 인공지능 기반 3차원 홀로그래피 기술을 응용하면 전처리 과정 없이 살아있는 세포 내부 물질을 정량화 할 수 있다. 또 생체내에서와 유사한 상태의 세포를 분석 할 수 있어 정확한 정보를 얻을 수 있다.

이성수 기초지원연 박사 연구팀은 인공지능으로 세포를 식별하고 24시간동안 관찰해 단일 세포 수준에서 대식세포와 거품세포의 빛에 대한 굴절률, 부피, 세포내 지질방울 개수 등을 분석했다. 거품세포는 대식세포에 지방이 과도하게 쌓여 분화하며 동맥경화를 유발하는데 그 과정을 3D 홀로그래피 현미경으로 관찰했다. 이를 통해 대식세포내 지질방울의 양적 변화를 확인했다.

박경순 중앙대 교수 연구팀은 거품세포에 특이적으로 결합해 세포내에 직접 작용하는 표적 나노약물을 개발했다. 이 약물은 거품세포에 작용해 콜레스테롤을 세포 밖으로 배출시키며 지질방울이 과다하게 축적되지 못하게 한다.

이번 연구는 홀로그래피 분야 연구장비 벤처기업인 토모큐브, 박용근 KAIST 교수팀이 장기간 축적해온 노하우를 바탕으로 새로운 분석기술을 개발하면서 국산 연구장비의 신뢰성을 인정받은 것으로 의미가 크다.

연구팀은 광주센터가 보유한  3D 홀로그래피 현미경, 발광-형광전임상분자영상시스템 등 첨단 분석장비와 고령동물생육시설의 퇴행성 질환 모델 동물을 활용해 신규 발병기전을 규명하는 등 후속 연구를 이어나갈 계획이다.

공동 교신저자인 이성수 박사와 박경순 교수는 "현대인의 과도한 지방섭취 식습관과 운동부족으로 과다 축적되는 지방이 야기하는 퇴행성 질환들을 더 깊게 이해하고 신규 치료제 및 표적 나노약물 개발을 위한 새로운 전략을 세우는데 이번 연구가 도움이 될 것"이라고 기대했다.

신형식 원장은 "이번 분석기술 개발과 응용 연구성과는 출연연과 대학, 연구장비 전문기업까지 모두 함께 협력하며 이뤄낸 것으로 국산 연구장비 개발과 성능향상, 검증, 사업화에서 이어지는 응용 연구까지 연구 장비 산업 전 과정에 걸쳐 또 하나의 혁신적인 성공사례로 꼽을 수 있을 것"이라고 말했다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 중견연구, 중대형융합형성장지원, 학문후속세대양성, 보건복지부 한국보건산업진흥원의 연구자주도질병극복연구, 기초지원연의 국산연구장비성능향상사업 지원으로 이뤄졌다.

연구성과는 나노분야 국제학술지 ACS Nano지(IF=13.903)에 25일 게재됐으며 속표지(Supplementary Journal Cover)로도 선정돼 우수성을 인정받았다. 제1저자로는 기초지원연 소속 박사후연구원인 박상우 박사를 비롯, 안재원 중앙대 박사과정 대학원생, 조영주 KAIST 학생(현 스탠포드대 대학원생)이 참여했다.

상단 오른쪽부터 (제1저자) 기초지원연 박상우 박사후연구원, 중앙대 안재원 박사과정 대학원생, KAIST 조영주 학부생. 하단 오른쪽이 (교신저자) 기초지원연 이성수 책임연구원, 왼쪽이 중앙대 박경순 교수.<사진= 한국기초과학지원연구원>상단 오른쪽부터 (제1저자) 기초지원연 박상우 박사후연구원, 중앙대 안재원 박사과정 대학원생, KAIST 조영주 학부생. 하단 오른쪽이 (교신저자) 기초지원연 이성수 책임연구원, 왼쪽이 중앙대 박경순 교수.<사진= 한국기초과학지원연구원>
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