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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. |
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. 논문명: Noninvasive and Spatiotemporal Control of DNAzyme-Based Imaging of Metal Ions In Vivo Using High-Intensity Focused Ultrasound |
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[붙임] 연구결과 개요 |
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1. 연구배경 체내 금속 이온은 생리학적 기능 수행에 중요한 역할을 한다. 세포 호흡으로 발생한 이산화탄소를 혈액에 잘 녹는 탄산염으로 바꾸는 과정에서 쓰이는 아연이 대표적이다. 아연 이외에도 철분, 나트륨, 칼륨과 같은 다양한 금속 이온이 몸 안에 존재한다. 또 몸 안에 원래 존재하는 금속 이온 외에도 납이나 카드뮴 같은 중금속 이온도 포함될 수 있다. 이러한 금속 이온은 역할을 새롭게 규명하거나, 외부에서 들어온 중금속 등을 정확히 모니터링하기 위해서는 살아 있는 생체 내에서 금속 이온을 분포를 볼 수 있는 기술이 중요하다. 이 같은 금속 이온량을 감지할 수 있는 새로운 방법으로 DNA 효소(DNAzyme)1)가 주목받고 있다. DNA 효소는 금속 이온 만을 감지할 수 있도록 설계가 용이하기 때문이다. 이러한 이유로, 빛을 기반으로한 레이저 등의 광학기술을 사용해 열에너지를 발생시켜 DNA 효소의 활성화가 가능함이 여러 차례 증명되었다. 하지만 빛의 낮은 투과심도로 인해 체내 깊숙한 곳에서의 DNA 효소 활성화는 불가능한 것으로 간주돼 왔다. 2. 연구내용 이에 본 연구에서는 고강도집속초음파(high-intensity focused ultrasound)2)를 통해 DNA 효소 활성화가 가능함을 증명하였다. 초음파를 사용하면 발생한 열에너지를 원하는 시간 동안 원하는 위치에서 집중시킬 수 있는 시·공간적인 제어3)가 가능하기 때문이다. 또한 초음파의 주파수 조절(500 kHz~1MHz)을 통해 투과심도를 자유롭게 조절하여 체내 깊은 곳에서도 DNA 효소 활성화가 가능하고 금속 이온 량을 감지할 수 있음을 동물 실험4)을 통해 증명하였다. 이 방식을 통해 기존 광학 기반 방식의 문제점을 극복함으로써 바이오 연구 분야에서 DNA 효소의 활용방안을 확대할 수 있음이 검증된 셈이다. 3. 기대효과 ’시설물 안전 검사’ 및 ‘영상 촬영’에만 국한되어 있던 초음파 기술에 대한 기존 인식에서 벗어나 체내 특정 성분 감지 및 추적, 세포 및 분자 활성화, 암세포 괴사, 약물 전달을 위한 나노입자 활성화 등의 바이오·화학·의료 분야에서도 널리 사용될 수 있을 것이라 판단된다. 개발된 초음파-DNA 효소 방법은 앞으로 DNA 효소를 활용한 다양한 의료·바이오 연구 분야에서 활용될 수 있을 것이라 기대된다. |
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[붙임] 용어설명 |
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1. DNA 효소 (DNAzyme) DNA 효소(DNAzyme)는 Deoxyribozymes, DNA enzymes, catalytic DNA 등으로 불리며 체내 특정한 화학반응을 가능하게 해주는 DNA oligoncleotide (한 가닥 DNA의 짧은 사슬)이다. DNA 효소는 “효소 센서”라고 불리며 본 연구에서는 체내 금속 이온을 감지하고 이미징하는 데 사용되도록 설계되었다. 2. 고강도 집속 초음파 (high-intensity focused ultrasound, HIFU) 방사된 기계적 에너지를 표적으로 한 부분에 집중시키는 초음파 기술. 고강도 집속 초음파를 마찰 열에너지로 변환해 조직을 응고시키는 기술은 의료용으로 상용화 됐다. 3. 시·공간적인 제어 (spatiotemporal control) 초음파 발생 에너지를 원격으로 조절하는 기술. 본 연구에서 말하는 시·공간적인 제어는 발생한 초음파 에너지를 원하는 시간 동안 원하는 위치에서만 발생시킬 수 있음을 의미함. 4. 동물 실험 (In vivo) 생체 내를 의미함. 보통은 실험용 쥐 등의 동물을 이용한 의료 실험을 의미함. |
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[붙임] 그림설명 |
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그림 1. 개발된 초음파-DNA센서(DNAzyme) 기반 금속 이온 감지 기술의 원리 초음파(HIFU)가 DNA센서(DNAzyme)를 활성화하며, Zn2+ (아연) 이온을 첨가하면 활성화된 DNA센서가 절단 (cleavage) 되어 광학적 신호가 발생한다. 광학적 신호는 절단된 DNA센서와 아연 이온과의 결합 정도에 따라 결정된다. 동물 실험에서 초음파 처리를 한 쪽(왼쪽 옆구리)에서 강한 형광 신호를 얻었으며, 이는 초음파가 DNA 센서를 활성화 할 수 있다는 의미다. |
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