한미 연구진이 초음파로 아연, 칼슘과 같은 체내 금속 이온을 직접 들여다 볼 수 있는 진단기술을 개발했다.
UNIST(총장 이용훈)는 도시환경공학과의 김건 교수가 美 텍사스대학교, 일리노이대학교 연구진들과 함께 초음파의 열로 DNA 센서(DNAzyme)를 활성화해 생체 내 금속 이온을 모니터링 할 수 있는 기술을 개발했다고 13일 밝혔다. 활성화된 DNA 센서가 금속 이온을 감지하면서 형광이 나타나 금속 이온을 눈으로 확인 할 수 있는 방식이다.
연구팀은 “이 기술로 단일 세포 수준에서 뿐만 아니라 실제 살아 있는 쥐의 옆구리에서 아연 이온을 감지하는 데 성공했다”며 “다양한 진단 기술 개발, 체내 금속 이온의 역할을 규명하는 연구” 등에 도움이 될 것 이라고 설명했다.
기존에는 DNA 센서를 광학 레이저 등을 이용해 활성화 했는데, 레이저가 피부나 근육 속을 깊숙이 투과하지 못해 응용에 제약이 있었다. DNA 센서는 유전물질로 알려진 DNA를 변형해 만든 인공 물질로 생체 친화적 의료 진단 플랫폼 등으로 주목받는 물질이다.
그림1. 개발된 초음파-DNA센서(DNAzyme) 기반 금속 이온 감지 기술의 원리
연구팀은 초음파 시스템을 개발해 이 같은 기술적 한계를 극복했다. 긴 작동 시간동안 특정 온도(43°C)로 유지할 수 있도록 초음파의 열에너지를 정밀하게 조절하는 기술이 적용됐다. 온도가 너무 낮으면 센서가 충분히 활성화 되지 않아 금속 이온 감지 민감도가 떨어지며, 너무 높으며 살아 있는 동물의 조직이 손상되기 때문이다.
실제 살아 있는 쥐 옆구리에 DNA 센서를 주입한 뒤 30분 동안 초음파 처리를 했을 때, 초음파 처리를 하지 않은 부위 보다 강하게 형광 발색이 나타남을 확인했다. 초음파의 뛰어난 DNA 센서 활성화 기능을 입증한 것이다.
김 건 교수는 “초음파 기술이 기존 광역동 치료, 영상 이미지뿐만 아니라, 체내 특정 성분 감지, 약물전달을 위한 나노입자 활성화 등으로까지 쓸 수 있다는 사실을 보여준 연구”라고 설명했다.
한편, 지난 2020년 UNIST 도시환경공학과에 부임한 김 건 교수는 건설공학, 고분자화학, 초음파 기술 등을 아우르는 융합 연구를 하고 있다. 사회기반시설물을 더 안전하게 지을 수 있는 고분자 기반 신소재 개발이나, 초음파를 이용한 건축물 안전 진단 기술 등이 대표적이다.
이번 연구 결과는 최상위 화학 학술지 중에 하나인 미국화학회지(JACS)에 지난 3월 19일자로 게재됐다. 연구 수행은 미국 국립 보건원 (National Institutes of Health)과 UNIST 신임교원정착과제의 지원을 받아 수행됐다.
