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중국과학기술대학 생명과학 및 의학부 교수인 설천(薛天)연구팀과 미국 매사추세츠 주립대학의 의과대학의 한강(韩纲)교수 연구팀은 공동으로, 시각신경생물 의학과 혁신적인 나노 재료기술을 결합하여 처음으로 동물의 눈에서 적외선 빛을 감지하고 적외선 이미지를 실현하는데 성공하였다. 해당 연구는 2월 28일 국제 저널 Cell에 발표되었으며, Cell저널을 이례적으로 동영상을 통해 이 연구에 관심을 표명하였다. 자연계에서 전자파 파장의 범위는 매우 넓어서, 파장에 따라 단파장에서 장파장으로 γ선、X선、UV、가시광선、적외선、마이크로파、무선전파 등을 포함하고 있다. 사람 눈이 감지할 수 있는 가시광선 영역은 그 가운데 극히 일부에 해당하는 것이다. 이것은 눈의 망막 안에 있는 감광세포의 감광단백질의 고유한 물리화학적 성질에 의해서 결정되는 것이다. 700nm보다 긴 적외선은 그 광자에너지가 비교적 낮아서 감광단백질 (opsin）이 그 흡수에너지 임계 값을 낮추어야만 비로소 적외선 광자를 흡수하고 감지할 수 있다. 그러나 너무 낮은 에너지 임계 값은 열에너지가 더 쉽게 자발적으로 감광 단백질을 활성화할 수도 있기에 신호와 잡음 비율에 영향을 줄 수 있다. 따라서，생물 진화 과정에서 어떤 감광단백질이 700nm이상의 적외선을 감지할 수 있는 능력이 생기지 않는다면 대뇌에서 적외선 형상을 만들어 낼 수 있는 방법이 없는 것이다 (개별 동물 예를 들어 어떤 뱀들은 적외선을 감지하는 능력을 갖고 있는데 이들은 온도를 감지하는 능력 때문이다). 그러나 적외선은 자연계에서 널리 존재하는데 이를 감지하는 것은 사람들이 가시광선을 넘어서는 스펙트럼 정보를 얻을 수 있게 해준다. 따라서 사람들은 빛을 전기로 전환하거나 광선을 전기로 증폭하는 기술을 발명하여 야간에 적외선 망원경을 이용한다. 그러나 이러한 적외선 야간 망원경은 무겁고, 착용하면 거동이 불편하며, 전기가 공급되어야 하며, 너무 강한 빛 아래에서나 가시광선 환경에서는 사용할 수 없다는 단점을 갖고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 두 연구 그룹은 적외선을 흡수하여 가시광선을 배출할 수 있는 나노재료를 사용하여 동물의 망막에 도입하여 적외선을 감지할 수 있는지를 시도하였다. 체외 감광세포 단세포 광전기 생리 기록을 통해 이러한 나노 재료가 확실히 적외선을 흡수하여 쥐의 시각 간세포의 전기 활동을 자극한다는 것을 증명하였다. 나노 입자와 감광세포의 거리를 줄이면서 적외선 민감도를 높이기 위해서 나노 재료입자가 장시간동안 망막 감광세포층에 남아 있도록 하기 위해서 연구팀은 일종의 표면 수식 방법을 발전시켜서 감광세포막 표면에 특이적으로 당질 분자를 연결하여서 튼튼하게 감광세포의 감광 부분의 표면에 부착하였다. 이러한 수식 방법은 일종의 수동적인 외부에서 에너지의 공급이 필요하지 않는 나노 안테나 역할을 하여 연구팀은 이를 가리켜, pbUCNPs (photoreceptor-binding Upconversion Nanoparticles)이라고 이름을 붙여서 망막 감광세포 특이적으로 결합하는 나노 재료라는 의미를 부여하였다. 또한 연구팀은 pbUCNPs나노재료가 생체적합성을 갖고 있어서, 분자, 세포 및 조직, 기관 및 동물행위 실험에서 증명을 하고, pbUCNPs나노재료가 장기간 동물의 망막에서 작용을 한다는 것을 통해서, 망막 및 동물시각 능력에 부정적인 영향이 없다는 것을 보여주었다. 이러한 결과는 이 기술을 이용하여 동물의 시각 스펙트럼 범위를 확장하여 원래 적외선을 감지하지 못하던 것을 실현함으로써 자연계 시작 감지의 물리적인 한계를 돌파하였다. 이 기술은 사람에게 시각 능력에 있어서 초능력을 제공하면서 흡수와 방출 스펙트럼 매개변수가 다른 나노 재료를 개발하여 적외선 생명과 같이 시각 감지 스펙트럼에 결함이 있거나 관련 질병을 치료할수도 있을 것이다. 이러한 새로운 감광세포와 밀접하게 결합하는 나노 재료 수식 기술은 더 많은 혁신적 기술과 기능을 부여하여 약물의 방출이나 빛을 이용한 약물의 방출 등에 응용될 수 있다. 생물의학에서의 혁신은 이공 의학의 융합 연구에서 큰 결실을 맺고 있다. |
