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Research

자성으로 다중 세포를 동시 제어하는 디지털 세포 제어기술 개발

  • 조회. 265
  • 등록일. 2021.07.05
  • 작성자. 대외협력팀

DGIST 신물질과학전공 김철기 교수팀, 다중 세포를 정교하게 개별 제어가 가능한 자성(磁性) 트위징 플랫폼 기술 개발
정밀한 단일 세포 분석으로 질병 맞춤 치료, 신약개발 등 폭 넓은 활용 기대

 

DGIST 신물질과학전공 김철기 교수(가운데), 제1저자 김현설 박사과정생(왼쪽 세번째)와 연구진들

 

 DGIST는 신물질과학전공 김철기 교수 연구팀이 자성(磁性)을 이용해 다중 세포를 제어, 분석하는 자성 트위징 기술을 개발했다고 5일(월) 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 제어하는데 성공했다. 초상자성 입자란 세포를 움직이는 운반자 역할을 하는 미세한 자성체인데, 세포 주변의 공간에 이를 채워 넣어 특정 세포를 정밀하게 제어 가능하게 했다. 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.

 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. 

 

Advanced Science 표지논문커버로 채택된 김철기 교수팀 연구성과 이미지
[Advanced Science 표지논문커버로 채택된 김철기 교수팀 연구성과]

 

 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.

 

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연구결과개요

 

Mattertronics for programmable manipulation and multiplex storage of pseudo-diamagnetic holes and label-free cells
Sandhya Rani Goudu, Hyeonseol Kim, Xinghao Hu, Byeonghwa Lim, Kunwoo Kim,
Sri Ramulu Torati, Hakan Ceylan, Devin Sheehan, Metin Sitti & CheolGi Kim
(Nature communications, IF = 12.121 on-line published on 21th May 2021)

 
질병 맞춤 치료, 신약 개발에 세포 이질성 분석이 요구되며, 이는 개별 세포 분리, 이송 및 어레이 포집이 요구된다. 본 연구에서는 세포의 반자성 특징과 초상자성나노입자의 특성을 이용하여 디지털 세포 제어 기술을 개발하였다.
초상자성입자는 세포 및 생물학적 대상을 분리, 제어하기 위한 표지로서 주로 사용된다. 표지가 부착된 세포들은 자성을 기반으로 한 다양한 연구에서 사용된다. 그러나, 자석은 서로 끌어당겨 응집되려고 하는 특성을 가지는데 초상자성입자도 동일한 현상을 보이게 되고 단일 세포가 아닌 서로 뭉쳐있는 덩어리를 움직이게 되었다. 이를 해결하기 위해서 대부분의 기술들은 의도적으로 표지된 세포의 농도를 낮춰서 원천적으로 응집을 방지하거나, 수직한 자기장을 가해주는 식으로 문제를 해결하였다. 다만, 이는 제어할 세포 수를 줄이고, 서로 떨어트릴 뿐 간격은 조절하지 못하는 등 응용의 한계가 존재하였다. 이 연구에서는 비대칭적으로 구성된 자성 패턴을 이용하여 표지캐리어 입자의 응집을 풀어 주는 플랫폼을 개발하였으며, 복수의 캐리어 입자 사이 간격을 간단하고 동시에 제어할 수 있었다. 
기본적으로 세포는 기본적으로 자성을 가지지 않는다. 그러므로 세포를 움직이기 위해 자성 기반 기술들은 초상자성입자를 표지로서 사용하였다. 다만, 표지를 위해서는 세포 표면의 사전 정보가 필요하며 추가적인 공정이 필요하다. 표면 정보를 모르는 세포는 제어할 수 없었다. 이 연구에서는 세포가 아니라 세포 주변의 공간에 자성을 가지는 유체를 채워 넣어, 세포가 가지는 반자성을 강화하여 비표지 방식으로 세포를 움직이는 데 성공하였다. 또한, 특수한 형태의 미세 자성 패턴을 이용하여 각 세포를 패턴을 따라 움직이고, 크기별로 분류한 뒤에 원하는 위치에 개별적으로 다중의 세포를 포집할 수 있었다. 
DOI : 10.1038/s41467-021-23251-4

 

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연구결과문답

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?
기존의 세포 제어 기술들은 대상의 판단(세포의 크기 혹은 표지 여부)과 제어를 위해서 복잡한 외부 설비가 필요하였다. 반면, 자성 패턴 기반 트위징 플랫폼은 특수한 형태의 미세 자성 패턴을 이용하여 자체적으로 표지/비표지 세포를 식별하고 분류한 뒤, 개별적인 제어가 가능하였다. 또한, 동일한 회전 자기장 아래에서 서로 다른 목적을 위하여 프로그래밍 된 패턴들이 서로에게 간섭하지 않고 병렬적으로 동작이 가능하다. 

Q. 어디에 쓸 수 있나?
세포를 크기별로 분류하고, 하나씩 떨어진 위치에 고정시키거나 각 세포 사이의 거리를 섬세하게 제어하는 것은 단일 세포의 약물 테스트나 독성 검사, 세포 간의 상호작용 연구 등에서 사용될 수 있다.

Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는?
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. 

Q. 연구를 시작한 계기는?
기존의 다른 기술들이 가지는 한계점을 해결하기 위해서 필요성을 느꼈기에 관련 연구를 시작하게 되었다.

Q. 어떤 의미가 있는가?
훨씬 간단한 방식으로도 복잡한 장비를 이용한 기술과 동일한 결과를 얻을 수 있다는 점에서 의미가 있다. 또한, 동일한 셋업에서 패턴의 형상만을 변경하면 다른 목적을 위해 사용 있는 높은 확장성을 가지며, 물리적 실체가 있는 장벽이 아닌 자기적 에너지로 만들어진 구조물로 세포를 가두고 움직이기 때문에 언제든지 다시 세포를 다시 풀어 줄 수도 있는 평면 구조이므로 여러 장비와 통합에 용이하다.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?
자기장은 시중에 판매하는 자석으로도 간단하게 동력 없이 생성이 가능하다. 이를 고려하면, 플랫폼을 소형화하여 진단 키트로 만들 경우 모터를 위한 건전지만 있다면 최소 동력으로 구현이 가능할 것이다.

 

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그림 설명

[그림 1] 세포의 반자성을 강화하여 비표지 방식으로 제어하는 자성 패턴 개념도

 

세포의 반자성을 강화하여 비표지 방식으로 제어하는 자성 패턴 개념도

(그림설명)
자성 유체를 주변에 채우면, 반자성체인 세포 내부는 자기장의 밀도가 주변 공간보다 상대적으로 더 낮아지게 되고 결과적으로 유사반자성을 만들 수 있다. 

 

[그림 2] 세포를 특정 위치에 포집하는 자성 및 반자성 패턴 3차원 에너지 그래프

 

세포를 특정 위치에 포집하는 자성 및 반자성 패턴 3차원 에너지 그래프

 

(그림설명)
3차원 에너지 그래프에서 파란 색으로 표시되는 최저 점에는 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.

 

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