DNA, 단백질 등 유기 고분자는 생체 대부분을 작동시키는 핵심 요소지만 작동원리가 상당 부분 밝혀지지 않았다. 생체와 비슷한 액체 환경에서 고분자를 고배율로 관찰하려면 전자 현미경을 사용해야 하는데, 내부의 높은 진공 상태로 인해 액체가 증발해 버리기 때문이다. 스티브 그래닉 단장 연구팀은 이전 연구에서 매우 얇고 투명한 그래핀 주머니를 만들어 무염색 유기 고분자의 움직임을 보는데 성공했다. 하지만 그래핀 주머니 안 물 분자 역시 전자빔의 영향으로 방사분해되는 문제는 남아있었다.

기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 첨단연성물질 연구단 스티브 그래닉(Steve Granick) 단장(UNIST 자연과학부 특훈교수) 연구팀이 중수(D₂O)를 이용한 투과전자현미경으로 긴 시간동안 생체분자의 움직임을 실시간으로 관찰할 수 있는 방법을 개발했다. 연구진은 중수를 넣은 그래핀 주머니로 유기 고분자 시료 손상을 늦춰 연구적으로 유의미한 전자현미경 관찰 시간을 확보하는데 성공했다.

우리 몸은 액체가 대부분이기 때문에 용액 내에서 생체물질을 관찰할 수 있는 환경 조성이 필수적이다. 스티브 그래닉 단장 연구진은 이전 연구에서 액체가 든 얇은 그래핀 주머니를 고안해 전자현미경 사용시 발생하는 시료 건조 문제를 해결하며 무염색 고분자의 실시간 움직임을 관찰했다.

하지만, 그래핀 주머니 안에 있는 물 역시 빠른 속도의 전자와 만나면 수소와 과산화수소 등으로 분해된다. 액체 환경이 무너지면서 시료인 생체 고분자가 손상되고, 그래핀 주머니 안에 공기방울이 생긴다. 기존에는 물에 염화나트륨 등 다른 물질을 섞어 전자빔의 영향을 줄여왔지만, 관찰 시간을 더 연장할 수 있는 방안이 필요했다. 연구진은 일반 물과 비슷한 성질을 가져 신체와 비슷한 환경을 조성하면서도 중성자가 있는 중수소로 구성돼 전자와 상호작용시 다르게 반응할 수 있는 중수에 주목했다.

▲ 중수와 글리세롤-물 혼합액에서 고분자 손상 비교연구진은 중수에서와 물에서의 고분자 손상을 비교했다. (A) 중수(위)와 글리세롤-물 혼합액(아래)에서의 분자 손상 경과. (B) 시간에 따른 이미지의 평균 밝기 변화. 투과전자현미경(TEM)은 전자를 시료에 투과시켜 통과하는 빛을 보므로, 물체가 있는 곳은 어둡고(0) 빈 부분은 밝게(1) 나타난다. 빛의 세기값이 높아질수록 관찰대상 즉, 고분자가 손상됨을 뜻한다. 글리세롤-물 혼합액(초록색)에서는 50초 이후부터 이미지가 일관되게 밝아지고, 중수(빨간색)에서는 100초 가량부터 이미지가 밝아진다. 속이 빈 도형은 폴리머가 없는 빈 액체시료에서 측정한 값이다.

연구진은 중수에서와 물에서의 고분자 손상을 비교했다. 즉 고분자가 손상되지 않고 투과전자현미경에 관찰되는 시간을 측정했다. 그 결과 중수 안의 고분자가 2배 가량 더 오래 관찰되어 시료 손상이 훨씬 늦게 나타나는 것이 확인됐다. 또한 중수 안 고분자는 그래핀 바닥과의 흡착-탈착 과정 및 점프 현상을 나타내며 실제 물 속에 있는 분자와 비슷한 움직임을 보였다.

▲ 시간에 따른 공기방울 형성(A) 그래핀 두 장 사이에 액체를 끼워 만든 그래핀 주머니. (B) 액체로 가득 차 있는 그래핀 주머니. 액체가 있는 부분은 빛이 산란되어 어둡게 보인다. (C) 전자빔으로 인한 방사분해로 일정시간 뒤 공기방울이 주머니 대부분을 채우게 된다. 액체가 들어있던 부분이 주변 그래핀과 비슷하게 밝아진다. (D) 주머니를 채운 용액 종류에 따라 달라지는 공기방울 형성 시간. 액체가 분해되어 공기방울이 생기면 이미지의 대비가 떨어진다. (그래핀만 있는 부분의 밝기와 액체가 들어있던 부분 밝기의 차이). 대비값이 0이 되는 지점이 액체가 공기방울로 분해되는 시점이다. (a-중수, b-라디칼 방지제가 포함된 50%글리세롤 물, c-소금물, d-몰식자산염 n프로필, e-3%글리세롤, f-물)

이와 더불어 연구진은 중수가 든 그래핀 주머니가 다른 용액을 넣은 주머니에 비해 얼마나 오래 액체환경을 유지하는지 측정했다. 다른 용액 주머니가 일정시간 전자빔에 노출되었을 때, 최대 150초 가량 후 공기방울이 주머니에 가득 찼다. 중수가 든 그래핀 주머니에서는 이 시간이 200초 이상까지 늘어났다.

이번 연구는 액체-투과전자현미경 액체-투과전자현미경(liquid-TEM) 분야에서 중수를 이용한 첫 사례다. 중수는 상업적으로 구매도 용이하고 별다른 처리과정이 필요 없어 많은 연구에 활용될 수 있다. 공동 제 1저자인 후안 왕 연구위원은 "우리는 전자현미경에서 고분자 시료가 손상되는 문제를 근본적인 단계에서 진전시켰다"며 "이를 큰 생체물질을 보는 데 응용할 수 있다. 특히 2017년 노벨상을 수상한 저온전자현미경에서도 중수를 이용하면 기존보다 관찰시간이 더 확보될 수 있을 것"이라고 말했다.

액체-투과전자현미경 분야 연구는 아직 시작 단계에 있지만, 이번 연구를 통해 시료 손상 문제를 개선하며 생체분자의 작동원리를 실시간으로 영상화할 수 있을 것으로 기대된다.

이번 연구결과는 재료분야 세계적 학술지인 ACS Nano (IF=13.709) 온라인판에 미국동부시간으로 7월 18일 게재됐다.

IBS 커뮤니케이션팀
김다희