신체 내 자극과 흥분을 전달하는 세포 단위인 ‘뉴런’은 인간의 뇌와 신경계에 밀접한 관련이 있어 활발한 연구가 진행 중이다. 이를 위해 고성능 연구 도구의 적극적인 개발이 한창인데, 근래 금속 나노입자와 빛의 상호작용을 연구·적용하는 ‘플라스모닉스’* 분야가 연구자들에게 큰 관심을 받고 있다.

플라스모닉스는 고감도 광학 바이오 센서 및 고해상도 이미징에 사용되는 기술로, 최근 부산대학교 김규정 교수 연구팀이 선행 연구논문과 참고논문 120여 편을 토대로 신경세포 적용을 위한 플라스모닉스 분야의 광범위한 연구 결과를 발표해 국제학술지에 소개했다.

부산대학교(총장 차정인)는 나노과학기술대학 광메카트로닉스공학과 김규정 교수 연구팀이 최근 뉴런 세포의 관측 및 자극에서의 플라스모닉스 기술의 활용성을 다룬 논문을 국제 학술지에 발표했다고 2일 밝혔다.

뇌와 신경계에 대한 연구인 ‘신경과학’은 뉴런의 작은 분자에 대한 연구에서 인지 및 행동연구에 이르기까지 다양한 주제를 다룬다. 신경과학계에서는 뉴런과 뉴런 사이와 뉴런과 시냅스(뉴런 간 연결부위) 사이에 작용하는 신경 전달물질의 구조, 기능, 생리학적 이해 등에 대한 활발한 연구가 진행되고 있다. 세포의 자극 및 관찰을 위해서는 고해상도, 고성능 연구 방법이 요구되는데, 이 중 하나인 ‘플라스모닉스(plasmonics)’가 세계 관련 연구자들에게 관심을 받고 있다.

‘플라스모닉스’는 금속 표면에서 전자기장(일반적으로 빛)과 자유전자의 상호작용을 연구하고 적용하는 연구 분야다. 일반적으로 외부환경에서 미세 플라스몬 공명 현상을 사용하는 바이오 센서 및 미세 분자 검출 기술로 사용되며, 이 기술은 기초 생물학, 화학연구 그리고 특정 질병에 대한 진단에 이르기까지 다양하게 응용되고 있다.

플라스모닉스 분야에서는 특히 나노구조나 나노입자를 적용해 성능과 감도를 향상시키는 연구도 활발히 진행되고 있다. 플라스모닉스 나노구조와 나노입자를 사용해 세포의 형광 이미지에서 감도와 이미징 해상도를 향상시킬 수 있고, 세포의 특정 영역을 자극하는 나노 스케일 광학 탐침으로도 사용 가능하다.

이번 연구에서 김규정 교수 연구팀은 신경세포 연구를 위한 플라스모닉스 기술 관련 연구논문과 참고논문 120여 편을 토대로 1) 높은 감도를 갖는 뉴런 활동 및 뉴런 관련 화학물질에 대한 플라스모닉스 센서 2) 플라스몬을 활용한 뉴런의 고해상도 이미징 기술 3) 플라스몬 나노구조와 나노 입자를 사용하는 나노 플라스모닉스 광학 신경 자극 기술에 해당 분야의 연구 단계, 활용에 대한 잠재력, 향후 해결 단계에 대해 서술했고, 플라스몬 향상을 위한 다차원 나노 구조를 뉴런의 장기 연구에 적용하기 위한 세포 배양을 통해 뉴런 세포의 생존력과 세포증식률을 확인했다.

이 논문은 의학·과학기술분야의 세계 최대 규모 출판사인 엘스비어(Elsvier)의 『바이오센서스 앤드 바이오일렉트로닉스(Biosensors & Bioelectronics)』 3월 8일자 온라인판에 게재됐으며, 출판을 앞두고 있다.

김규정 교수는 이번 연구에 대해 “현재 뇌신경 병증의 원인을 이해하기 위한 연구가 증가하고 있고 병증 분석을 위한 기술로 플라스모닉스 기술을 기반으로 한 많은 연구가 진행되고 있다. 향후 플라스모닉스 기술을 통한 뉴런과 생체분자의 시험관 내 메커니즘 탐색에서 임상 응용 연구가 필요하고, 이를 위해 플라스모닉 감지, 이미징 및 신경 자극 기술의 보완 연구가 필요하다”고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구실지원사업과 중견연구자지원사업의 지원으로 수행됐으며, 부산대 광메카트로닉스공학과 김규정 교수와 대구경북첨단의료산업진흥재단의 최종률 박사가 교신저자, 부산대 인지메카트로닉스공학과 박사과정 안희상 학생이 제1저자, 부산대 광메카트로닉스공학과 김승철 교수와 인지메카트로닉스공학과 박사과정 김수정 학생, 대구경북첨단의료산업진흥재단의 김윤희 연구원이 공동저자로 참여했다. 김민정 기자 min55@kookje.co.kr