서강대, 세계 최초 혼합 단백질 질량 분석 마이크로 소자 개발

[베리타스알파=나동욱 기자] 서강대는 기계공학과 이정철 교수 연구팀이 캐나다 알버타 대학의 화학재료공학과 Thomas Thundat 교수팀과 공동 연구를 통해 '유동 시간 차이 기반 혼합 단백질 질량스펙트럼의 측정/분석이 가능한 초소형 장치'를 세계 최초로 개발했다고 20일 밝혔다.

최초로 혼합 단백질 질량 분석이 가능한 마이크로 소자를 개발하고 그 효용성을 검증한 것이다. 연구 결과는 네이처 자매지인 사이언티픽 리포트에 14일자에 게재됐다.

서강대 이정철 교수는 "개발된 기술은 종래의 부피가 큰 분석 장치를 성능 저하 없이 소형화하는 것이 가능해, 휴대용 분석 장치로 개발돼 야전에서 손쉽게 사용할 수 있을 것"이라며 "분석 화학 분야를 넘어 바이오/의료 분야에서 효과적으로 사용될 수 있는 질병 조기 진단 도구로 확대 발전 가능할 것으로 기대된다"고 말했다.

수영장에서 쉽게 볼 수 있는 다이빙보드와 같은 구조물을 외팔보(cantilever)라고 부르는데, 이런 구조를 마이크로 또는 나노스케일로 소형화한 물리적 센서들이 다양한 분야에서 활용되고 있다. 대표적으로 원자현미경 탐침과 마이크로/나노캔틸레버 센서 등이 있다.

일반적으로는 마이크로/나노캔틸레버 센서의 내부는 솔리드(solid) 형태로, 구성 물질이 공백 없이 채워져 제작된다. 이것은 진공 상태나 기체 분위기에서는 민감하게 잘 동작하나, 점성이 높은 액체 환경에 노출되는 경우에 작동 민감도를 비롯한 여러 성능 지수들이 대폭 감소된다. 액체의 높은 밀도에서 비롯된 관성 질량과 높은 점도에서 기인한 점성 소산으로 인해 에너지 손실이 커지기 때문이다. 

이러한 문제점을 해결하기 위해 마이크로/나노캔틸레버 센서의 내부가 비어 있는 형태, 즉 내부에 공동(cavity) 형태의 유동 채널이 통합된 특별한 마이크로/나노캔틸레버 센서가 고안/개발됐다. 지난해에는 기존의 복잡한 제작 공정을 혁신적으로 간략화 시킨 '중공관 공명기'가 서강대 나노계측정밀 연구실에서 개발됐다.

이번 서강대-알버타대 공동 연구에서는 모세관 전기영동 기반 분리 기법과 U자 형태의 '중공 나노 기계공진기(이하 HNR)' 기반 정밀 질량 측정 기법을 결합해 혼합 단백질 시료에 대해 이동시간방식의 질량스펙트럼 분석 기법을 세계 최초로 개발했다.

모세관 전기 영동 시 HNR에 내장된 채널의 낮은 이온 전도도를 극복하여 직접 전기 영동 분리를 방지했고, HNR을 통한 액상 시료의 흐름은 정밀 유압 조절을 통해 제어됐다. 1.5 MHz (초당 백오십만번 진동) 부근에서 진동하는 HNR의 공진 주파수 이동은 질량 스펙트럼을 구성하기 위한 단백질 밴드의 통과 시간과 관련이 있게 된다. 제안된 개념은 14-250 kDa의 분자량 범위에서 계란 흰자(egg white)에 포함된 여러 단백질의 질량 스펙트럼을 구축함으로써 증명됐다.

기존의 일반적인 폴리 아크릴 아마이드 젤 전기 영동과 비교할 때, 새롭게 개발된 방법은 화학적 염색 없이 정확하고 빠른 판독을 제공할 수 있다는 장점이 있어, 향후 초소형 크기의 저비용 및 온칩 질량 분석기에 대한 새로운 개발 방향을 제시했다는 설명이다.