바이오소재공학전공 곽선영 교수님 인터뷰


지난해, 서울대학교 농업생명과학대학 바이오소재공학 전공 곽선영 교수와 사범대학 화학교육과 정대홍 교수가 이끄는 융합연구팀은 식물의 다중 스트레스 신호 분자를 실시간으로 모니터링하는 생체 내 나노센서를 개발했다. 이 연구 성과는 22년 12월 15일 국제 학술지 Nature Nanotechnology에 게재되었다. 곽선영 교수와의 인터뷰를 진행하여 연구와 관련된 더 자세한 이야기를 들을 수 있었다.

Q. 이 연구를 시작하게 된 계기가 있을까요?

나노 센서 연구를 시작하게 된 이유는, 식물의 언어를 이해하고 싶었기 때문입니다. 식물은 어떤 환경을 주면 그 환경을 그냥 견뎌야 합니다. 동물과는 달리 소리를 내지 못하고 움직이지도 못합니다. 그러나 식물도 나름대로 자기 의사를 주변에 알리고 싶어 하여 어떠한 신호를 내보냅니다. 식물학자들은 연구를 통해, 그 신호를 하나의 언어로 보고, 식물이 사용하는 언어는 소리가 아니라 ‘화학’이라고 결론 내렸습니다. 식물의 언어는 그 식물이 생성하는 화학 물질로 이해할 수 있다는 것입니다. 그래서 그 화학 분자를 검출하고자 나노 센서를 만들게 되었습니다.

Q. 이 연구에서 개발한 플라즈몬 나노 센서에 대해 간단히 설명 부탁드립니다.

기존의 센서는 radical만을 주로 검출할 수 있었습니다. 또한 분자마다 다른 센서를 사용해야 했습니다. 이런 단점을 보완하여, 이 연구에서 개발한 센서는 Radical뿐 아니라 small molecule의 다양한 종류를 동시에 구분해 검출할 수 있습니다. 이를 가능하게 라만 스펙트럼을 구분하도록 센서를 만들어야 합니다. 라만은 모든 분자에 존재하는 고유 스펙트럼입니다. 라만 스펙트럼은 분자마다 차이를 보이기 때문에, 이 스펙트럼을 가지고 분자의 종류를 구분할 수 있습니다. 고유의 스펙트럼이 구별되는 것은 좋지만, 라만 신호를 이용하는 것의 단점은 너무 약하다는 것입니다. 그래서 이를 증폭시키고자 플라즈몬을 사용했습니다. 레이저에서 나오는 강한 빛 에너지를 나노 입자가 있는 표면을 향해 방출할 때, 검출하고자 하는 small molecule이 있을 시 라만 신호가 강하게 증폭됩니다. 이를 표면증강라만산란(surface enhanced Raman scattering, SERS)이라고 합니다. 나노 입자를 얼마나 잘 만드는지에 따라 신호가 10^7에서 10^10이상 증폭이 되므로, 약한 peak을 이 방식으로 증폭하여 선명히 볼 수 있습니다.

Q. 연구가 가지는 의의

지금까지 계속 식물 연구와 식물 센서 연구를 해왔는데, 그전에는 식물이 아프거나 스트레스를 받으면 H2, NO와 같은 radical 정도만 분석할 수 있었습니다. 호르몬 여러 개를 생체 내(in vivo)로 보는 연구는 이 연구가 처음입니다. Chemical 연구가 지금까지 많이 진행됐지만, 분자의 종류에 따라 센서를 하나씩 따로 만들어야 했습니다. 그러나 이 센서는 하나의 센서로 여러 신호를 다 검출할 수 있으며, 이를 높은 신호 강도로 증폭해서 검출할 수 있다는 점이 큰 장점입니다. 또한 기존의 방식에서는 빛 에너지를 식물 표면에 방출하면, 식물 세포에 많이 존재하는 엽록소로 인한 자가 형광의 간섭 때문에 신호를 확인하기 힘들었습니다. 이를 보완하기 위해 근적외선 영역에서 활성화되는 플라즈몬 나노센서를 개발했기 때문에 엽록소의 형광이 크게 나오는 영역을 피할 수 있었습니다.

Q. 연구하며 어려웠던 점이나 힘들었던 점, 극복하게 된 과정

앞서 말한 장점들이 곧 연구하면서 힘들었던 점과 극복해야 할 점이었습니다. 이 연구가 이런 novelty를 갖기까지 아무도 해결하지 못했던 문제들을 한꺼번에 해결해야 했기 때문에 시행착오를 많이 겪었습니다. 근적외선 영역을 설정해 연구하는 것, multiple한 분자들을 한 번에 검출하도록 하는 것, non-destructive한 생체 내(in-vivo)방식과 non-contect방식을 위해 센서를 만드는 것 등 많은 도전이 있었습니다.

Q. 앞으로 더 연구할 분야

이번 연구에서 읽을 수 있었던 몇 가지 chemical외에도 더 많은 분자를 탐지하고자 합니다. 그리고 이번 연구에서 이용했던 물냉이와 밀, 보리 외에도 더 많은 종류의 원예작물 및 나무 등의 여러 식물에도 이 방식의 센서를 적용할 수 있도록 연구하고 싶습니다. 또한 현재는 실험실 내의 현미경으로 센서의 신호를 측정하는데, 더 유용하게 산업에서 사용할 수 있도록, 센서를 농장의 작물에 도입하고, 디텍터를 휴대할 수 있는 형태로 만들어, 농장에서 이 기술을 사용할 수 있도록 연구하고 있습니다. 마지막으로, 현재 센서는 식물의 여러 이파리 중 하나에만 심기 때문에 그 부분만 제거하거나 혹은 먹지 않는 부위에 설치하지만, 궁극적으로는 먹어도 되는 형태의 센서로 만들고자 합니다.

Q. 농생대 학생들에게 한 마디

농생대에서 프로그램이든, 자원이든, 수업이든 모든 주어진 것을 충분히 다 즐기고 누리고 적극적으로 참여했으면 좋겠습니다. 이를 통해 자기 발전에 많이 이용했으면 좋겠습니다. 또한 농생대만이 할 수 있는 분야가 있을 텐데, 남들이 다 하는 것이 아니라 우리 농생대에서만 할 수 있는 것이 무엇인지 능동적으로 고민했으면 합니다. 예를 들어 사람들이 반도체에 대해서 많이 이야기하지만, 모두가 반도체만 하는 것은 아니니까요(웃음). 그러니 우리의 아이덴티티를 살릴 수 있는 기술과 우리가 더 잘할 수 있는 것이 무엇일지 창의적으로 생각해보면 좋겠습니다.