세포 속 엿보는 '양자 센서'…형광 단백질의 놀라운 변신

바이오 연구의 필수 도구인 형광 단백질을 이용해 살아있는 세포 내부를 초정밀 관측할 수 있는 '양자 센서' 기술이 개발됐다.

학술지 네이처(Nature) 및 네이처 뉴스에 따르면, 시카고 대학교의 P. 마우러, D. 오샬롬 교수 등이 포함된 국제 공동 연구팀은 형광 단백질을 양자 센서로 전환하는 데 성공했다고 밝혔다.

연구팀은 형광 단백질의 전자가 빛을 내지 않는 '삼중항 상태'일 때 마이크로파를 조사해 전자 스핀을 인위적으로 제어했다. 외부 자기장의 미세한 변화가 전자 스핀 상태를 바꾸고, 이것이 단백질이 내는 빛의 밝기(형광 강도)에 영향을 미치는 원리를 이용한다.

이를 통해 눈에 보이지 않는 자기장 변화를 빛의 변화로 감지하고 역으로 측정하는 센서로 활용할 수 있다. 이번 연구에는 '강화 황색 형광 단백질(EYFP)' 등이 사용됐다.

특히 이 기술은 '유전공학적 표적 지정' 기술로 기존 무기물 기반 양자 센서의 한계를 극복한 점이 특징이다. 유전 정보를 이용해 세포 내 원하는 위치에 센서 단백질을 직접 발현시킬 수 있어 정밀도를 크게 높였다.

이번 성과는 향후 나노미터(nm) 단위의 3D 세포 이미징 기술이나 자기장으로 세포의 특정 반응을 원격 조종하는 '자기유전학(magnetogenetics)' 등 생명과학 분야의 패러다임을 바꿀 기술로 평가된다.

이러한 연구는 양자 특성을 제어해 응용하는 '2차 양자 혁명'의 일환이다. 최근 미국 국립과학재단(NSF)과 영국 정부 등도 관련 융합 연구 투자를 대폭 확대하는 추세다.