양자 센서 이용해 살아있는 암세포 핵 온도 정밀 측정

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분자 크기의 양자 나노센서가 살아있는 세포 내부에서 온도를 정밀하게 측정했다. 개발된 센서는 살아있는 암세포 핵 내부의 국소적인 온도 차이를 시각화하는 데 성공했다.

일본 국립양자과학기술연구소와 도쿄대 연구팀은 살아있는 세포 내에서 작동하는 분자 양자 나노센서(MoQNs)를 개발하고 연구결과를 29일(현지시간) 국제학술지 '사이언스 어드밴시스'에 공개했다.

살아있는 세포 내부의 물리적·화학적 상태를 정량적으로 파악하는 것은 현대 생물학의 주요 과제로 꼽힌다. 양자 기술이 발전하면서 물질의 양자 상태를 활용한 양자컴퓨터의 정보처리 단위인 '큐비트(qubit)'가 센서 후보로 주목받는다. 주변 환경에 쉽게 영향받는 큐비트의 특성을 이용해 고감도 센서로 활용하는 전략이다.

매우 작은 나노 다이아몬드, 양자점(퀀텀닷), 형광 단백질 등이 세포 내부 센서의 주요 후보로 꼽히지만 생체 적합성을 충족시키고 성능을 구현하기가 쉽지 않다. 

연구팀은 유기반도체 소재인 펜타센을 큐비트로 쓰고 인체에 무해한 계면활성제 '플루로닉 F127'로 코팅한 MoQN을 개발했다.

MoQN이 세포에 존재하는 동안 세포는 대사 활동과 세포 주기를 정상적으로 유지했다. MoQN가 살아있는 세포에서 센서로 활용될 가능성을 확인한 것이다.

연구팀은 MoQN이 세포 내부에서 양자 특성을 유지한다는 사실을 확인하고 온도 측정 정밀도를 높인 dMoQN을 만들었다.

살아있는 세포 내에서 작동하는 분자 양자 나노센서(MoQNs)로 암세포 핵 내부의 온도 차이를 시각화하는 원리. 일본 국립양자과학기술연구소 제공

dMoQN은 살아있는 암세포의 세포질 내부에서 온도를 감지하는 데 성공했다. 핵 내부로 dMoQN을 이동시키자 핵 내부 온도 분포를 지도화해 위치별 온도 차이를 드러냈다.

연구팀은 과산화수소를 이용해 세포 내에 반응성이 높은 분자인 라디칼을 생성하도록 유도한 뒤 개발된 양자 센서로 세포질과 핵 모두에서 변화를 포착하는 데도 성공했다.

연구팀은 "MoQN은 살아있는 세포 내에서 직접 작동할 수 있다"며 "이번 연구 성과는 세포 내 환경에 대한 정량적 양자 측정을 향한 새로운 길을 열어줄 것"이라고 말했다.

<참고 자료>
- doi.org/10.1126/sciadv.aeb5422

[이병구 기자 2bottle9@donga.com]