#7. 생명과학의 새로운 혁신…3D 홀로그래피 현미경 개발

[데일리포스트=정태섭 기자] “3차원 홀로그래피 현미경은 생체세포를 있는 그대로의 상태에서 정략적인 분석과 관찰이 가능한 최초의 제품이며 향후 다양한 의료기관과 협력을 통해 의료장비로의 영역 확대가 기대됩니다.” (토모큐브 김용근 연구소장)

육안으로는 쉽게 볼 수 없는 아주 작은 생품의 상을 확대시켜 관찰이 가능토록 하는 현미경(Microscope)가 세상에 탄생한 것은 언제일까?

기록에 의하면 현미경은 일본이 조선을 침략한 1592년 임진왜란이 발생하기 2년 전인 1590년 네덜란드 렌즈 가공 기술자인 ‘자카리아스 얀센(Zacharias Janssen)에 의해 발명됐다는 여러 문헌이 있다.

물론 얀센 외에도 현미경의 최초 발명가로 레벤후크가 거론되고는 있지만 다양한 문헌은 얀센을 현미경의 최초 개발자로 지목하고 있다.

현미경의 최초 출발은 두꺼운 유리를 볼록형태로 굴곡을 짓도록해 만든 확대경으로부터 비롯됐다. 이후 기술의 발달로 지금과 흡사한 세련된 렌즈가 13세기 후반부터 개발됐으며 15세기 중반에는 철학자들이 곤충들을 관찰하기 위해 일안 렌즈 현미경을 개발해 사용했다.

하지만 미세하고 육안으로 쉽게 살펴보기 힘든 미생물을 관찰하기 위해 보다 정밀하게 만들어진 현미경은 앞서 언급한 얀센의 현미경을 꼽을 수 있다. 이때 까지만 하더라도 현미경은 나무와 가죽에 의존한 초보적인 기구에 불과했다.

조금 더 시간이 흘러 18세기에는 황동으로 스탠드를 만들고 초점과 배율까지 한층 업그레이드화 된 한외현미경이 도입됐고 진공상태에서 고속의 전자 광선을 쏘는 방식의 전자현미경과 초고부해능 현광현미경 등 자연과학과 물리학, 의학에서 요구되는 현미경의 발달은 시대가 변할수록 급진전했다고 해도 과언이 아니다.

지난 2017년 1월 국내 과학기술에 업적을 기념하기 위해 마련된 ’iR52 장영실 상‘을 수상한 바이오 기업 ’토모큐브‘의 연구진 김용근 소장과 나상찬 차장, 김태홍 차장은 생체세포를 염색이나 전처리 과정 없이 3차원 정량적 분석이 가능한 홀로그래피 현미경을 개발했다.

토모큐브 현미경은 생체세포를 구성하는 물질마다 고유한 굴절률 값을 가지고 있는 것에 착안했다. 특히 셍체세포 내부의 굴절률 분포를 3차원으로 데이터화해 전처리 과정 없이도 세포의 부피와 질량 등을 실시간 분석할 수 있다.

세계 최초 3차원 홀로그래피 현미경 개발의 성공을 위해 팀원들과 함께 각고의 노력 끝에 결실을 맺은 토모큐브 김용근 연구소장은 이렇게 말한다.

“3차원 홀로그래피 현미경은 생체세포를 있는 그대로 상태에서 정량적인 분석과 관찰이 가능한 최초의 제품이며 생명과학과 의료분야에서 연구용 목적은 물론 다양한 질병 진단과 신약 개발에서 폭넓게 활용될 수 있습니다.”

Q 세계 최초의 3차원 홀로그래피 현미경이 탄생하기까지 우여곡절도 많았을 것 같다.

물론 순탄치만은 않았습니다. 현미경을 개발하는데 가장 큰 난관은 샘플에 비치는 광원을 여러 각도에서 정밀하게 제어하는 것으로 예를 들어 기구를 통해 제어하는 구조는 세포를 관찰하는 동안 진동 등 다양한 문제에 취약했습니다.

하지만 꾸준한 아이디어 회의를 통해 디지털 구동 미세 거울(Digital Micro-mirror Device·DMD) 칩을 격자(diffraction grating·빛을 회절시켜 스펙트럼을 얻기 위해 이용되는 방식)로 활용하는 방식을 고안해 결국 문제를 해결했습니다.

Q 그동안 불가능했던 세포의 실시간 영상 측정과 세포 내부 관찰을 통해 세포의 질량 및 탄소 수치까지 정량화한 말 그대로 바이오산업의 혁신을 일으켰는데 최근 국내외 벤처 캐피탈로부터 투자를 유치했다고 하는데?

인터베이스와 소프트뱅크벤처코리아, 그리고 컴퍼니케이파트너스로부터 50억원 규모의 투자금을 유치했습니다. 투자유치로 저희가 개발한 3차원 홀로그래피 현미경의 글로벌 시장 확대와 새로운 진단기기 개발을 위한 임상에 가속도가 붙을 것으로 전망되고 있습니다.

실제로 김용근 연구팀이 개발에 성공하면서 토모큐브는 현재 홀로그래피 현미경 등을 전 세계 21개국에 수출하고 있다.

대표적인 사례로 미국 MIT를 비롯해 하버드의대와 독일 암센터, 그리고 국내에는 아산병원과 분당서울대병원, 보라매병원 응급의학과와 내과 등에서 홀로그래피 현미경을 의료 장비로 사용 중에 있다.

Q 3차원 홀로그래피 현미경은 구체적으로 어떤 기능이 가능한지 설명해달라.

CT(컴퓨터단층촬영)가 여러 각도에서 촬영한 여러 장의 2차원 영상을 복원해 3차원 영상을 얻는 것과 비슷한 방식으로 흡수율 분포 영상을 얻게 됩니다. 이때 3차원 공간에서 각 위치별 굴절률(RI; Refractive Index)값을 계산해 3차원 데이터를 생성합니다.

김 소장의 설명은 보강하자면 세포는 대포분 투명한 물질로 구성돼 있는데 각 물질마다 각기 다른 굴절률 값을 가지고 있다는 점을 착안한 것이다.

또 레이저를 세포에 투과시키면 각 위치의 굴절률에 따라 파면의 변화가 일어나고 이를 수학적으로 계산하면 굴절률의 분포를 알 수 있다. 이를 통해 세포를 염색하지 않고도 살아있는 세포 그대로 고해상도 3차원 영상을 실시간으로 얻어낼 수 있다.

Q 예컨대 말라리아에 감염된 사람의 적혈구를 3차원 굴절률 분포 측정 영상을 통해 감염된 적혈구의 구조와 화학적 성질 변화 과정을 추출할 수 있다는 것인가?

그렇습니다. 감염 단계에 따른 적혈구의 변화와 기생충의 부피, 질량 등을 알게되면 향후 말라리아의 감염 여부를 진단하거나 치료제를 개발할 때 새로운 접근이 용이해 집니다.

3차원 홀로그래피 현미경은 적혈구보다 더 복잡한 내부 구조를 가진 백혈구 세포의 괴사와 사멸 과정 역시 별도의 형광 표지 없이도 고속으로 측정이 가능합니다.

Q 생명과학의 새로운 혁신으로 주목받고 있는 3D홀로그래피 현미경은 김 소장 연구팀이 개발한 토모큐브의 단독 성과물인가?

아닙니다. 현재 3D홀로그래피 현미경은 전 세계에서 스위스 바이오 기업과 자사(토모큐브) 등 두곳에서만 생산하고 있습니다. 제품 출시로 따진다면 스위스 기업보다 다소 늦었지만 성능면에서는 세계에서 가장 앞선다고 자부할 수 있습니다.

김용근 소장과 연구진의 창의적인 연구 성과 결과로 탄생한 3D 홀로그래피 현미경은 국내외 생명과학의 새로운 지평을 열고 있다.

아울러 김 소장이 속한 토모큐브는 제품 첫 출시부터 높은 매출액을 달성하며 글로벌 바이오 기업으로써의 탄탄한 기반을 마련하고 있다.