중수 이용 투과전자현미경, 생체분자 움직임 관찰시간 늘려

기초과학연구원(IBS) 첨단연성물질 연구단 스티브 그래닉 단장(UNIST 자연과학부 특훈교수) 연구팀이 중수(D2O)를 이용한 투과전자현미경으로 긴 시간동안 생체분자의 움직임을 실시간 관찰할 수 있는 방법을 개발했다고 1일 밝혔다.

스티브 그래닉 단장/사진=IBS

중수는 중수소 2개와 산소 1개로 이뤄진 물이다. 연구진은 중수를 넣은 그래핀 주머니로 유기 고분자 시료 손상을 늦춰 전자현미경 관찰시간을 확보하는데 성공했다.


우리 몸은 액체가 대부분이기 때문에 용액 내에서 생체물질을 관찰할 수 있는 환경 조성이 필수적이다.

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 글리세롤 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.

연구진은 중수와 물에서의 고분자 손상을 비교했다. 고분자가 손상되지 않고 투과전자현미경에 관찰되는 시간을 측정한 것이다.

그 결과 중수 안의 고분자가 2배 가량 더 오래 관찰돼 시료 손상이 훨씬 늦게 나타나는 것이 확인됐다. 또 중수 안 고분자는 그래핀 바닥과의 흡착-탈착 과정 및 점프 현상을 나타내며 실제 물 속에 있는 분자와 비슷한 움직임을 보였다.

이와 함께 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 이상 늘어났다.

이번 연구는 액체-투과전자현미경 분야에서 중수를 이용한 첫 사례다. 중수는 상업적으로 구매도 용이하고 별다른 처리과정이 필요없어 많은 연구에 활용될 수 있다.

연구진은 “전자현미경에서 고분자 시료가 손상되는 문제를 근본적인 단계에서 진전시켰다”며 “이를 큰 생체물질을 보는 데 응용할 수 있다”고 말했다. 또 “지난해 노벨상을 수상한 저온전자현미경에서도 중수를 이용하면 기존보다 관찰시간이 더 확보될 수 있을 것”이라고 덧붙였다.

액체-투과전자현미경 분야 연구는 시작 단계이다. 이번 연구를 통해 시료 손상 문제를 개선하면 생체분자의 작동원리를 실시간으로 영상화할 수 있을 것으로 기대된다.