성대·美MIT 공동 기술 개발 

21세기는 뇌 연구의 시대이다. 최근 미국에서는 약 3조 5000억원을 투자해 뇌가 어떻게 작동하는지 이해하고 뇌 질환 치료법을 개발하기 위한 프로젝트를 진행 중이다. 이에 전 세계적으로 뇌를 자세하게 들여다볼 수 있는 다양한 기법들이 개발되고 있다. 이 추세에 발맞춰 2014년에는 초고해상도 현미경을 개발한 세 명의 과학자들에게 노벨 화학상이 주어지기도 했다. 하지만 이런 초고해상도 현미경은 값비싼 특수 현미경이 필요하고 또한 두꺼운 조직을 관찰하기 위해서는 복잡한 시료 준비 과정이 필요했다.

이에 본교 장재범 교수 연구팀은 MIT 에드 보이든 교수 연구팀과 뇌를 20배 혹은 그 이상 팽창시켜 일반 현미경으로 초고해상도를 얻을 수 있는 기법을 개발했다. 이를 위해 지난 2015년에 개발된 4.5배 뇌 팽창 기술을 획기적으로 개선하여 뇌 및 다양한 장기를 20배 혹은 50배 이상 팽창시킬 수 있게 만들었다. 장재범 교수 연구팀은 이 기술을 이용하여 뇌 신경세포들이 어떤 시냅스를 통해 삼차원으로 연결되어 있는지 매우 자세하게 관찰할 수 있었다. 또한 20배 팽창 후에는 뇌 및 장기가 투명 해져 일반 현미경으로도 조직의 깊숙한 안쪽을 초고해상도로 관찰할 수 있게 된다. 

이번 연구에서는 뇌를 팽창시키기 위해서 흡수젤을 사용하였다. 흡수젤은 물을 매우 잘 흡수하는 성질이 있어서 그동안 아기 기저귀를 만드는 데에 사용되어 왔다. 이 물질을 물속에 넣어주면 물을 흡수하면서 흡수한 물의 부피만큼 팽창하게 된다. 이번 연구에서는 뇌 속에 흡수젤을 합성한 후 물 속에서 팽창시켜 뇌를 20배 이상 팽창시키는 데에 성공했다.

이 기법은 뇌 뿐만 아니라 현미경을 사용하는 모든 생물학 및 의학 분야에 널리 사용될 수 있다. 최근 암 조직이 서로 다른 돌연변이를 가진 세포들의 복합체라는 사실이 알려지면서 암 조직을 초고해상도로 관찰하고자 하는 시도가 있어 왔다. 이 기법은 암을 연구하는 데에 그리고 환자에게서 떼어낸 암 조직을 분자수준으로 이해하여 정확한 치료법을 결정하는 데에 큰 도움이 될 것으로 기대된다. 

장재범 교수는 “이번 성과는 최근 많은 사람들이 고통 받고 있는 뇌질환의 원인을 이해하고 그 치료법을 개발하는 데에 유용하게 쓰일 수 있을 것”이라고 전망했다. 또한 “뇌 연구뿐만 아니라 암 연구, 줄기 세포 연구, 혹은 신약 개발 등 다양한 분야에 쓰일 수 있을 것”이라고 전망했다. 그리고 “앞으로 이 기술로 개개인의 장기를 초고해상도로 관찰하여 대량의 데이터를 얻고 이를 인공지능(AI)으로 분석하는 연구를 하고 싶다” 라고 밝혔다.

장재범 교수 연구진이 제 1저자로 참여한 ‘Iterative expansion microscopy’ 논문은 생명과학 분야에서 권위있는 학술지인 Nature Methods 최근호에 게재됐다.