형광 없이 분자 하나 본다…고려대, '라만 단일분자 현미경' 구현[과학을읽다]

형광 한계 넘은 초다중 이미징 기술…공간오믹스·신약개발 활용 기대

형광 표지 없이도 분자 하나를 직접 관찰할 수 있는 차세대 현미경 기술이 국내 연구진에 의해 구현됐다. 기존 바이오 이미징의 한계를 넘어, 초다중 분자 분석과 공간 오믹스 연구에 새로운 전환점을 제시할 것으로 평가된다.

한국연구재단은 심상희·우한영·박성남 고려대학교 교수 공동연구팀이 형광 검출에 의존하지 않고 단일 분자를 직접 관찰할 수 있는 '라만 기반 단일분자 현미경 기술'을 개발했다고 23일 밝혔다. 이번 연구는 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 지난 1월 29일 게재됐다.

전자 공명 라만 현미경 개요. 형광을 억제한 비형광 라만 프로브와 이중 레이저 시스템을 통해 서로 다른 분자를 구분 가능함. 라만 이미징에서는 기존 투과영상에서 구분되지 않던 입자들이 명확히 분리되며, 단일 분자의 광표백 현상을 통해 실제 단일 분자 검출이 입증됨. 그림 및 설명 = 심상희 고려대학교 교수.

형광 한계 넘은 '비형광 단일분자 관측'

단일 분자 수준에서 생체 분자의 움직임을 관찰하는 기술은 질병 원인 규명과 신약 개발의 핵심 도구로 꼽힌다. 그러나 기존 형광 현미경은 신호 스펙트럼이 넓어 동시에 구분 가능한 분자 수가 제한되고, 반복적인 표지·세척 과정이 필요하다는 한계가 있었다.

라만 분광법은 분자 고유 진동 신호를 활용해 높은 분별력을 가지지만, 신호가 약해 단일 분자 검출이 어려운 문제가 있었다. 연구팀은 이를 해결하기 위해 전자 공명 유도 라만 산란(ER-SRS) 기술과 비형광 분자 프로브(RANMP)를 결합했다.

특히 레이저 파장을 자유롭게 조절하는 '독립 튜닝 이중 레이저 시스템'을 구축하고, 형광을 거의 방출하지 않는 분자 프로브를 적용해 배경 신호를 억제했다. 그 결과 기존 대비 라만 신호를 200배 이상 증폭시키며, 형광 없이도 단일 분자 검출에 성공했다.

연구팀은 나아가 서로 다른 두 분자를 동시에 구분해 관찰하는 '이중 이미징'에도 성공했다. 단 17㎝?¹ 수준의 미세한 라만 주파수 차이를 구분해낸 것으로, 복잡한 생체 환경에서 다양한 분자를 동시에 식별할 수 있는 가능성을 입증한 것이다.

이는 세포 내 유전자와 단백질의 위치를 한 번에 분석하는 '공간 오믹스(spatial omics)' 분야에서 활용도가 클 것으로 기대된다.

연구책임자인 심상희 고려대학교 교수는 "분자 진동 신호를 활용해 기존 형광 기술의 스펙트럼 중첩 문제를 극복했다"며 "초고해상도 이미징의 새로운 가능성을 제시한 연구"라고 설명했다.

연구팀은 향후 생체 적합성을 높인 라만 탐침과 기능성 분자 라이브러리를 개발해 살아있는 세포 내 질병 관련 분자를 정밀 추적하는 기술로 확장할 계획이다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr