손톱만한 뇌, 손바닥 크기로 부풀려 초미세 세포구조 정밀 관찰한다

국내팀, 생체조직 팽창기술 ‘줌’ 개발

손톱만 하던 쥐의 뇌가 손바닥 반 크기로 커지고 투명해졌다. 오른쪽 사진은 팽창 기술 ‘줌’을 개발한 김성연 서울대 화학부 교수(오른쪽)와 박한얼 연구원. 김성연 교수 제공·윤신영 동아사이언스 기자 ashilla@donga.com

의료용 장갑을 낀 어른 손바닥 위에 투명한 물체가 놓였다. 손바닥 반만 한 크기에 흔들거리는 재질이 꼭 ‘묵’처럼 보였다. 물체의 정체는 쥐의 뇌다. 원래 어른 손톱만 한 뇌를, 특별한 기술을 가미해 가로 세로 높이를 8배씩 팽창시켰다. 부피가 512배나 늘어난 셈이다. 색이 있는 풍선을 한껏 불면 색이 엷어져 속이 비치듯, 한껏 팽창한 뇌도 속이 맑아졌다. 그 결과 투명하고 거대한 뇌가 태어났다.

김성연 서울대 화학부 교수는 2015년부터 이연 서울대 화학부 교수, 박한얼·최동길 연구원과 함께 세계 최초로 생체 조직을 팽창시키는 ‘줌’이라는 기술을 개발하고 있다. 김 교수는 “조직이나 세포, 기관의 미세한 구조를 분자 수준에서 관찰할 수 있도록 확대하는 기술”이라며 “2∼8배까지 원하는 배율로 확대해 조직을 볼 수 있다”고 설명했다.

조직 팽창 기술은 생명과학과 의학 분야에서 전통적으로 사용하던 관찰 방식의 개념을 흔들고 있다. 생체 조직을 자세히 관찰하기 위해 현미경을 써왔지만, 확대해 보는 데에는 한계가 있다. 수십 nm(나노미터·1nm는 10억분의 1m) 크기를 갖는 세포 속 소기관이나 유전물질(DNA), 미세소관 등의 단백질 구조는 전통 현미경으로는 직접 볼 수 없다.

2014년 노벨 화학상을 수상한 과학자들이 조직에 빛으로 에너지를 주면 분자가 에너지를 머금었다가 다시 내뱉는 순간 빛이 나온다는 사실을 이용해 세포 내 구조를 파악하는 ‘초고해상도 현미경’ 기술을 개발했다. 이 기술은 수십 nm를 관찰할 수 있게 해줬지만, 가격이 대당 최대 수십억 원대라 보급에 한계가 있다.

조직 팽창 기술은 이 문제를 역발상으로 해결했다. ‘아크릴아미드’라는 고분자 물질은 일종의 ‘블록’ 같은 물질로, 서로 모이면 더 큰 고분자 물질을 이룬다. 이 물질을 시료에 침투시키면 내부에서 길게 조립돼 묵과 같은 성질을 갖는 물질인 ‘젤’의 그물을 형성한다. 여기에 물을 넣으면 젤이 길어지며 조직을 균일하게 팽창시킨다. 풍선에 점을 가득 찍고 바람을 불면 점 사이 간격 비율은 일정하게 유지된 채 서로 간의 거리만 늘어나는 것과 비슷하다.

‘줌’은 이런 팽창 기술의 결정판이다. 김 교수는 “배율을 2배, 4배, 8배 등으로 정교하게 조절할 수 있는 데다 3차원 조직으로 팽창시킬 수 있고, 원본 조직과 팽창한 조직 사이의 오차가 3∼5% 미만으로 매우 작아 신뢰성도 높다”고 설명했다. 배율 조절을 위해 연구팀은 시료에 80도의 열을 가해 가수분해하는 과정을 개발했다. 열을 가하는 시간을 조절하면 배율이 일정하게 변한다.

활용성이 높은 것도 특징이다. 김 교수는 “쥐의 뇌뿐 아니라 세균, 배양 세포, 길이 1mm의 작은 동물인 예쁜꼬마선충, 사람 뇌 시료 등에 모두 활용 가능함을 확인했다”고 말했다. 연구 결과는 국제학술지 ‘어드밴스트 사이언스’ 1일자에 발표됐다. 연구 및 진단 방법을 혁신할 원천 소재 기술 가능성에 주목한 삼성미래기술육성센터의 지원을 받았다.

조직 팽창 기술은 과학 연구와 의료 진단에 모두 응용될 수 있다. 신장 질환이나 파킨슨병 등 퇴행성 뇌질환 연구에 적용될 것으로 기대된다. 아직은 팽창 과정에 3일(세포)에서 한 달(뇌)의 시간이 걸리는 게 단점이지만 후속 연구가 쌓이면 시간도 절약할 수 있을 것으로 연구팀은 기대하고 있다.

한국은 조직 팽창 기술에 앞선 나라 중 하나로 꼽힌다. 이 기술은 원래 광유전학 등 생명과학의 판도를 바꾼 기술 개발을 선도해 온 칼 다이서로스 미국 스탠퍼드대 교수팀의 상상력 넘치는 연구가 바탕이다. 2013년 당시 다이서로스 교수 연구실에서 근무하던 정광훈 미국 매사추세츠공대(MIT) 화학공학과 교수가 개발한 뇌 투명화 기술이 방아쇠가 됐다.

직접적인 뇌 팽창 기술은 다이서로스 교수실 출신의 또 다른 천재로 광유전학 개발에도 공을 세운 에드워드 보이든 MIT 미디어랩 교수가 2015년 처음 선보였다. 2016년 정 교수와 박정윤 강남세브란스병원 신경외과 교수팀이 쥐의 뇌를 4배 키우는 데 성공했고, 2017년 보이든 교수와 장재범 KAIST 교수팀이 얇게 저민 쥐의 뇌 조직을 20배까지 팽창시키는 데 성공하기도 했다.

윤신영 동아사이언스 기자 ashilla@donga.com