나노기술 및 정책 정보

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2018 년에 노벨상 절반은 광학 핀셋을 개발한 물리학자 Arthur Ashkin에게 수여되었음. 마이크론 규모의 물체(적혈구 크기)를 분리하고 이동하기 위해 조밀하게 초점을 맞춘 레이저 빔을 사용했음.

밴더빌트 대학교(Vanderbilt University) 연구팀이 더 작은 규모로 물체를 포착하고 조작할 수 있는 광학나노핀셋인 최초의 광-열-전기 유체역학 핀셋을 개발했음. 마이크론 크기의 광학핀셋은 생물학 연구에서 중요한 발전을 이끌어내지만 작업할 수 있는 물체의 크기에 제한이 있음. 이는 광학핀셋의 집게 역할을 하는 레이저 빔이 레이저 광을 특정 직경(레이저 파장의 약 절반)에만 집중시킬 수 있기 때문임. 파장이 700 나노미터인 적색광의 경우 핀셋은 직경이 약 350 나노미터 이상인 물체만 저전력으로 초점을 맞추고 조작할 수 있음. 물론 크기는 상대적이기 때문에 350 나노미터의 크기는 극히 작지만 100 나노미터로 들어오는 바이러스나 10 나노미터 미만의 DNA와 단백질과 같은 더 작은 분자는 제외될 수밖에 없음.

연구팀의 OTET(Opto-thermo-electrohydrodynamic tweezers)로 확립한 기술은 레이저 빔과 트래핑하려는 분자 사이에 수 마이크론을 남김. 이 새롭고 작은 핀셋이 작동하는 방법의 또 다른 중요한 요소임. 연구팀은 분자의 기능을 손상시킬 수 있는 고강도 빛이나 열에 노출시키지 않고 매우 작은 물체를 집어넣을 수 있는 전략을 개발하였음. 그러한 작은 물체를 포착하고 조작하는 능력은 DNA와 다른 생물학적 분자가 단일 수준에서 매우 자세하게 거동하는 방식을 이해할 수 있도록 해줌. OTET 이전에는 세포 외 소포와 같은 분자는 고속 원심 분리기를 사용해서만 분리할 수 있었음. 그러나 이 기술의 높은 비용은 광범위한 사용을 저해해왔음. 반면에 OTET는 적은 예산으로 연구자들이 광범위하게 사용할 수 있는 잠재력을 가지고 있음. 핀셋은 또한 크기에 따라 물체를 분류할 수 있는데, 이는 특정 엑소좀, 암을 전이시킬 수 있는 세포에서 분비되는 세포 외 소포를 찾을 때 중요한 접근 방식임. 엑소좀의 크기는 30 ~ 150 나노미터이며 특정 엑소좀을 분류하고 조사하는 것은 일반적으로 어려운 것으로 알려져 있음.

OTET의 다른 응용분야로는 연구를 위해 바이러스를 포획하여 병원체를 탐지하고 알츠하이머와 같은 신경퇴행성 질환과 관련된 상태에 기여하는 단백질을 연구하는 것임. 핀셋이 낮은 농도수준의 분자를 효과적으로 포착할 수 있기 때문에 두 응용 모두 질병의 조기 발견에 기여할 수 있음. 즉, 질병을 유발하는 분자를 연구하기 전에 질병이 본격화될 필요가 없음을 의미함. OTET는 또한 생물형광 및 분광기와 같은 다른 연구기술과 결합 될 수도 있음.

본 연구 성과는 ‘Nature Nanotechnology’ (“Stand-off trapping and manipulation of sub-10 nm objects and biomolecules using opto-thermo-electrohydrodynamic tweezers”) 지에 게재됨