이정철 교수, 세계 최초 혼합 단백질 질량 분석 마이크로 소자 개발
작성자 발전홍보팀
작성일 2017.06.26 16:41:24
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이정철 교수, 세계 최초 혼합 단백질 질량 분석 마이크로 소자 개발

- 성능 저하 없이 소형화된 질병 조기진단 도구로 발전 기대 -

 


우리학교 기계공학과 이정철 교수 연구팀이 캐나다 알버타 대학(The University of Alberta)의 화학재료공학과 Thomas Thundat 교수팀과 공동 연구를 통해 유동 시간 차이 기반 혼합 단백질 질량스펙트럼의 측정·분석이 가능한 초소형 장치를 세계 최초로 개발했다. 즉, 최초로 혼합 단백질 질량 분석이 가능한 마이크로 소자를 개발하고 그 효용성을 검증한 것이다. 연구 결과는 네이처 자매지인 사이언티픽 리포트(Scientific Reports) 6 14일 게재되었다.

 

□ 논문명, 저자정보

   - 논문명 : Electrophoresis assisted time-of-flow mass spectrometry using hollow nanomechanical resonators ( http://www.nature.com/articles/s41598-017-03846-y )

   - 저자 정보 : 이정철 교수 (교신저자, 서강대), Thomas Thundat 교수 (교신저자, 알버타 대학), Swathi Chaudhari (공동 제1저자, 알버타 대학), Kamalesh Chaudhari (공동 제1저자, 알버타 대학), 김석범 (참여저자, 서강대), Faheem Khan (참여저자, 알버타 대학)

   - 사이언티픽 리포트(Scientific Reports), 2017 6 14일 게재


 

  이정철 교수는 개발된 기술은 종래의 부피가  분석 장치를 성능 저하 없이 소형화하는 것이 가능하여, 휴대용 분석 장치로 개발되어 야전에서 손쉽게 사용할  있을 이라면서, “분석 화학 분야를 넘어 바이오 · 의료 분야에서 효과적으로 사용될  있는 질병 조기 진단 도구로 확대 발전 가능할 것이라 기대된다고 밝혔다.

수영장에서 쉽게 볼 수 있는 다이빙보드와 같은 구조물을 외팔보(cantilever)라고 부른다. 이런 구조를 마이크로 또는 나노스케일로 소형화한 물리적 센서들이 다양한 분야에서 활용되고 있는데, 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  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,  내부에 공동(cavity) 형태의 유동 채널이 통합된 특별한 마이크로·나노캔틸레버 센서가 고안 · 개발되었다. 2016년에는 기존의 복잡한 제작 공정을 혁신적으로 간략화 시킨 중공관 공명기(Hollow tube resonators) 서강대 나노계측정밀 연구실(연구책임자 : 이정철 교수)에서 개발되었다.

이번 서강대-알버타대 공동 연구에서는 모세관* 전기영동* 기반 분리 기법과 U 형태의 중공 나노 기계공진기(Hollow nanomechanical resonator: 이하 HNR)’ 기반 정밀 질량 측정 기법을 결합하여 혼합 단백질 시료에 대해 이동시간(time-of-flow) 방식의 질량스펙트럼 분석 기법을 세계 최초로 개발하였다. 

- 모세관 : /외경이 작은 튜브 또는 관

- 전기영동 : 전극 사이의 전기장 하에서 용액 속의 전하가 반대 전하의 전극을 향하여 이동하는 전기 화학적 현상

- 이동시간(time-of-flow) : 모세관 입구와 출구 사이의 정해진 이동 경로를 통과하는 데 소요되는 시간으로서 단백질의 분자량 대비 전하 비에 따라 달라짐

 

  모세관 전기 영동  HNR 내장된 채널의 낮은 이온 전도도를 극복하여 직접 전기 영동 분리를 방지하였고, HNR 통한 액상 시료의 흐름은 정밀 유압 조절을 통하여 제어되었다. 1.5 MHz (초당 백오십만번 진동) 부근에서 진동하는 HNR 공진 주파수 이동은 질량 스펙트럼을 구성하기 위한 단백질 밴드의 통과 시간과 관련이 있게 된다. 제안된 개념은 14-250 kDa 분자량 범위에서 계란 흰자(egg white)에 포함된 여러 단백질의 질량 스펙트럼을 구축함으로써 증명되었다.

  기존의 일반적인 폴리 아크릴 아마이드  전기 영동과 비교할 , 새롭게 개발된 방법은 화학적 염색 없이 정확하고 빠른 판독을 제공할  있다는 장점이 있다. 향후 초소형 크기의 저비용  온칩(on-chip) 질량 분석기에 대한 새로운 개발 방향을 제시하였다.


- 온칩(on-chip) : 기존의 공간을 많이 차지하는 시설 장비가 아닌 마이크로 기술을 이용하여 실리콘이나 유리 웨이퍼 위에서 제작된 형태의 작은 플랫폼

 

[참고 그림] a. Hollow nanomechanical resonator (HNR) 사진, b. 실험 장치 모식도, c. 시료 주입 전HNR 의 진폭스펙트럼, d. HNR 과 모세관 내부의 유동 조건 및 속도 설명을 위한 개략도



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