포스텍(총장 김도연) 화학과 김기문 교수(IBS 복잡계 자기조립 연구단장)와 박사과정 황우습 씨, IBS 복잡계 자기조립 연구단 백강균 박사 팀이 표면증강 라만 분광학*을 이용해 단분자를 검출하고 관찰할 수 있는 플랫폼을 개발했다.

*표면증강 라만 분광 : 레이저를 이용해 수 나노미터(1나노미터는 10억분의 1미터) 크기 샘플의 화학적 구성을 밝히는 기법이다. 표면 플라즈몬 공명에 기인한 것으로 기존 라만 분광법의 낮은 신호 세기 및 재현성의 한계를 극복한 방법이다.

▲ 포스텍 화학과 김기문 교수, 박사과정 황우습 씨, IBS 복잡계 자기조립연구단 백강균 박사.

생로병사의 비밀을 풀기 위해서는 세포를 분자 단위로 하나하나 관찰할 수 있어야 한다. 그래서 수 나노미터(nm) 크기의 작은 세포 구조를 단분자로 생생하게 관찰할 수 있는 기기를 개발하는 것은 과학자들의 오랜 꿈이자 숙제였다. 하지만 한데 뭉쳐있는 세포들 중에서 단분자 하나를 따로 검출해 이를 자세히 관찰하는 일은 상당히 복잡하고 어려워, 쉽고 정확한 단분자 관찰기법 개발이 절실했다.

▲호박분자를 이용한 단분자 검출 플랫폼

연구팀은 먼저 속이 빈 호박 모양의 분자인 쿠커비투릴*을 이용해 은 나노입자와 은 기판을 2.5 nm의 거리로 정확하게 유지하게 만들었다. 이 곳에 가시광선 영역의 레이저를 쏘면 쿠커비투릴의 중앙에 포집된 분자가 내어놓는 신호가 강하게 변해 분자를 밝게 관찰할 수 있는 핫스폿이 생성된다.

*쿠커비투릴 : 속이 빈 호박 모양을 하고 있는 나노사이즈의 화합물. 주인-손님 상호작용이라 불리는 결합을 통해 다양한 복합체를 형성하는데, 이때 결합하는 손님 분자의 종류에 따라 주인-손님 상호작용의 세기가 달라진다.

이때 쿠커비투릴의 큰 특징 중 하나인 주인-손님 상호작용이 활용된다. 쿠커비투릴은 집주인처럼 가만히 앉아서 핫스팟에 원하는 단분자를 콜택시를 태워 데리고 오듯 정확하게 검출하고 불러들인다. 그리고 이런 과정을 통해 분자 내부를 속속들이 관찰할 수 있게 된다.

표면 증강 라만 분광학은 레이저를 이용해 수 나노미터(1나노미터는 10억분의 1m) 크기 샘플의 화학적 구성을 밝히는 기법으로 복잡한 과정이나 특수한 장비를 필요로 하지 않기 때문에 더욱 단분자의 관찰이 쉬워진다.

연구팀은 이 기술이 발전한다면 작은 단백질이나 RNA와 같은 복잡한 분자의 시간과 공간에 따른 거동까지 확인할 수 있을 것으로 기대한다. 한편 기초과학연구원의 지원으로 수행한 이 연구는 미국 화학 회지(Journal of American Chemical Society) 온라인 판에 실렸다.

최혜영 커뮤니케이터