우리 대학 융합공학부 김태형 교수 연구팀이 세포 외에서 전기화학적으로 탐지 가능한 산화-환원 신호의 원인을 세계 최초로 규명하는 데 성공했다. 

세포는 인체의 모든 생리적 기능을 담당하는 복잡한 Bio-Machine이다. 이 같은 세포의 성장·분열·분화·사멸 등 주요 거동들을 분석하는 것은 생물학적 관점에서 볼 때 다양한 질병과 손상된 조직 치료를 위해 매우 중요하다.

많은 연구자가 세포 내 생화학적 현상을 연구하기 위해 PCR 분석, RNA 시퀀싱, 면역 염색, 유세포 분석 등 다양한 분자생물학적 기법을 이용하고 있다. 최근에는 세포 내·외에서 발생하는 다이나믹한 변화를 실시간으로 비표지·비파괴 분석하기 위해 라만분광법(Raman spectroscopy), 임피던스 기반 세포분석(Electric cell-substrate impedance sensing), 전위차 분석 (Potentiometric analysis) 등 다양한 분석 기법이 연구됐다. 

여러 기법 중에서도 특히 눈길을 끄는 것은 10여 년 전 처음 소개된 세포 기반 전기화학적 분석법(cell chip)이다. 전극 표면상 부착된 세포에 대한 산화·환원 상태를 직접 분석할 수 있는 기술이기 때문이다. 살아있는 세포의 산화·환원 신호를 전기화학 방법을 통해 정밀하게 측정·분석할 수 있다. 

최근에는 해당 기술을 기반으로 전기화학적 신호 강도에 따른 2차원, 3차원의 다양한 종양 모사 모델 약물 스크리닝 연구가 진행됐다. 하지만 세포로부터 발생하는 신호의 주요 원인이 밝혀지지 않았기에 줄기세포 분화나 세포 내 복잡한 생화학적 현상들을 분석하는 응용기술 관련 뚜렷한 한계가 존재했다.

김태형 교수 연구팀은 이러한 한계를 극복하는 과정에서 세포 내 산화·환원 신호의 주요 원인이 adenosine triphosphate(ATP)를 생성할 때 발생하는 metabolic reaction임을 처음으로 밝혀냈다. 

또한, 세포 내 에너지 공장이라 불리는 미토콘드리아의 전기화학적 신호 탐지와 다양한 신호 후보물질 분석, 주요 에너지 대사 과정에 관여하는 복합체 활성과 전기화학 신호의 상관관계를 확인하는 성과도 거뒀다. 

김태형 교수 연구팀은 이러한 발견들을 기반으로 세포 대사를 증폭시켜 신호의 차이를 극명하게 만든 다음 대사적으로 차이가 나는 현상을 활용하는 방법을 검증했다. 개발한 세포 활성 전해액(MAC, Metabolic Activation Cocktail)을 활용한 전기화학적 세포 신호 증강, 다양한 암세포에 대한 대사 항암제 고속 약물 스크리닝, 간엽줄기세포(Mesenchymal stem cell)의 다분화능(multipotency)에 대한 구분과 검증을 성공적으로 진행했다. 

이번 연구는 과학기술정보통신부의 바이오의료기술 개발사업, 중견연구자 지원사업, 기초연구실사업, 범부처재생의료기술 개발사업을 통해 진행된 것이다. 김태형 교수 연구실의 구경모 석박통합과정 학생이 제 1저자, 김태형 교수가 교신저자로 참여했으며, 같은 학과 석사과정생 김창대, 박사과정생 김희중·조연우, 졸업생인 인탄로살리나수히토 박사가 공동저자로 참여했다. 

보다 상세한 연구 내용은 ‘Extracellularly detectable electrochemical signals of living cells originate from metabolic reactions’ 논문을 통해 확인이 가능하다. 해당 논문은 Materials science, Multidisciplinary 분야 상위 6% 학술지로 피인용지수(Impact Factor) 17.521를 기록한 학술지 Advanced Science를 통해 확인할 수 있다. 

김태형 교수는 “해당 기술은 분화 기간 동안의 다양한 줄기세포 대사 분석 등을 포함한 환자유래조직과 오가노이드 분화에도 활용하는 등 그 범용성과 확장 가능성이 매우 크다. 고속·정밀 분석 기술로 자리매김할 것이라 기대하고 있다”고 전했다.