생체 내 미세플라스틱, 염색 없이도 찾아낸다

형광 염색 없이도 생체 내 미세플라스틱 위치 추적이 가능한 이미징 기술 개발

환경과학 분야 국제학술지 Environmental Science & Technology誌 게재

 현대 사회의 무분별한 플라스틱 사용에 더해, 최근 코로나19로 인한 1회용 플라스틱제 소비 급증으로, 심각한 환경오염 위기를 맞고 있다. 특히, 환경에 노출된 후 잘게 쪼개진 미세플라스틱은 생체 침투가 잘 되고, 각종 유해물질의 운반체로도 작용할 수 있어, 미세먼지와 함께 인류 건강을 위협하는 또 다른 환경오염인자로 인식되고 있다. 

 한국기초과학지원연구원(원장 신형식, 이하 KBSI)은 서울센터 이한주 박사 연구팀이 형광 염색 없이도 생체에 흡수된 미세플라스틱의 위치, 이동과정 및 축적상태를 실시간 추적․관찰할 수 있는 레이저 이미징 기법을 개발하는 데 성공했다고 3일(목) 밝혔다.

 연구내용은 미세플라스틱과 세포 소기관의 생체 움직임을 동시에 볼 수 있는 분석법을 세계 최초로 개발한 것으로, 생활환경에 노출된 미세플라스틱의 오염실태나 인체 유해성 규명에 상당한 도움이 될 것으로 기대된다.

 이번 연구는 한국생산기술연구원(원장 이낙규, 이하 생기원) 청정기술연구소, ㈜유니오텍(대표이사 김진하) 최대식 박사 연구팀, 기초과학연구원(원장 노도영, 이하 IBS) 분자 분광학 및 동력학 연구단, 고려대학교(총장 정진택, 이하 고려대) 화학과 조민행 교수 연구팀과의 공동연구로 진행됐다. 

 생체 내 흡수된 미세플라스틱의 생물학적 영향 및 독성을 명확히 알기 위해서는 살아있는 생체시료에서 미세플라스틱의 위치, 이동, 축적 과정을 실시간 관찰․분석하는 것이 매우 중요하다. 

 기존에는 미세플라스틱과 생체기관에 서로 다른 형광물질을 염색해 관찰하는 이미징 기법을 주로 사용해왔다. 다만, 이 방법은 번거로운 형광 염색 과정이 필요할 뿐만 아니라 형광물질의 광 탈색으로 장시간 측정이 어렵고, 환경에 노출된 미세플라스틱은 인위적인 염색이 불가하며, 형광물질 자체가 독성을 지닐 수도 있어 미세플라스틱의 독성을 규명하는 데에 한계가 있었다.

그림1. 다색 CARS 이미징 실험 장치 모식도_서로 다른 레이저(pump, Stokes1, Stokes2)의 광자에너지 차이를 각각 PS 미세플라스틱과 지질(lipid)의 진동에너지와 일치되도록 조절했을 때, 서로 다른 파장에서 발생하는 CARS 신호를 광학필터(BPF)로 분리하여 이미징하는 실험장치

 공동연구팀은 형광 염색 없이 물질의 고유 진동에너지를 이용해 서로 다른 화학성분의 미세입자를 동시에 영상화할 수 있는 다색 CARS* 이미징 기술을 개발했다. CARS 이미징 기술은 20여 년 전 개발되어 바이오 및 의학 연구 등 다양한 분야에 활용되어 왔지만, 이미징 속도가 느려 종류가 다른 미세입자의 움직임을 동시에 관찰할 수 없었다. 이번에 개발한 기술은 레이저 스캐닝 방식을 다색 CARS 이미징 기술에 접목시켜 이미징 속도를 기존보다 50배 이상 높일 수 있었다. 그 결과, 살아있는 세포에 흡수된 미세플라스틱과 세포 소기관의 생체 움직임을 수십 초 간격으로 관찰할 수 있었다.  

 * CARS(coherent anti-Stokes Raman scattering, 결맞음 반스톡스 라만 산란) : 서로 다른 두 레이저의 광자에너지 차이를 물질의 고유 진동에너지와 일치시켰을 때, 비선형 레이저의 상호작용에 의해 발생하는 산란 광 물질의 화학결합 특성에 따라 서로 다른 파장에서 CARS 신호가 발생함. 이를 적절한 광학 필터를 이용해 분리 측정하면, 형광 염색 없이도 종류가 다른 미세입자를 구별하여 이미징할 수 있음.

 공동연구팀은 무염색 상태의 2μm 폴리스티렌(polystyrene: PS) 미세플라스틱을 살아있는 인간 골세포에 흡수시킨 후, 다색 CARS 현미경을 이용해 PS 입자와 세포 소기관의 하나인 지질방울(lipid droplet: LD)의 실시간 움직임을 관찰했다. 크기와 모양이 비슷해 일반 광학현미경으로 식별이 힘든 PS와 LD 입자를 명확히 구분할 수 있었고, 속도분포 측정을 통해 생체 운동성 분석도 가능함을 입증했다. 

그림2. 예쁜 꼬마선충(C. elegans)에 섭취된 2μm PS의 다색 CARS 이미지_

선충 위장 관 통로에 축적된 PS 입자(빨강)와 관의 바깥 조직 내 분포하는 지질 저장소(초록)의 위치 분포가 선명하게 구분됨. 선충의 CARS 이미지 분석결과, PS 입자의 조직 침투 흔적이 없음을 알 수 있음.

그림3. 살아있는 인간 골세포 내 흡수된 미세플라스틱의 CARS 이미지 및 실시간 입자추적을 통한 운동성 분석결과_(a) 굴절률 현미경(PC 현미경) 및 (b) 다색 CARS 현미경을 이용해 측정한 세포 이미지 비교. PC 이미지에서 식별하기 어려운 PS 및 LD 입자가 다색 CARS 이미지에서 서로 다른 진동에너지 색으로 명확히 구분(PS 입자는 주황색, LD 입자는 초록색)됨. 실시간 CARS 이미지에서 30초 간격으로 추적된 (c) LD와 (d) PS 입자의 운동궤적 및 (e-f) 입자별 속도분포

 세포가 아닌 모델 생물(선충)에서도 미세플라스틱의 생체 분포 및 축적 상태를 관찰했다. 2μm PS는 조직 침투 흔적 없이 선충의 위장 관 통로에 주로 축적된 반면, 관의 바깥 조직에는 대부분 지질 저장소(lipid storage)가 넓게 분포되어 있음을 확인했다. 크기와 모양이 유사한 두 물질이 공존하는 상황에서 미세플라스틱(PS)의 조직 침투여부를 정확하게 판단할 수 있었다.

사진1. 공동연구자 사진_(왼쪽부터) KBSI 이한주 책임연구원(공동교신저자),

IBS-고려대 조민행 단장(공동교신저자), 생기원-(주)유니오텍 최대식 책임연구원(공동제1저자)

 KBSI 이한주 박사 연구팀은 무염색 CARS 이미징 기술개발 초기 아이디어 확보 및 연구총괄을 맡았고, 생기원-(주)유니오텍 최대식 박사 연구팀은 다색 CARS 이미징 광학계 설계 및 개발 연구를 담당했으며, IBS-고려대 조민행 단장 연구팀은 살아있는 세포 및 선충 내 흡수된 미세플라스틱의 실시간 생체 추적 및 모니터링 실험검증 연구를 수행했다.

 이번에 개발한 기술은 실제 환경에서 발견되는 다양한 종류, 무정형 미세플라스틱의 생체 분석 연구에 활용함은 물론, 미세먼지 등 환경오염인자 노출 평가 및 유해성 규명 연구, 정부의 미세플라스틱 관리 방안 수립을 위한 과학적 근거 제공과 플라스틱 사용 규제 및 저감 정책에도 활용될 전망이다.  

사진2. 활용 연구장비(펨토초 다차원 레이져 분광시스템) 및

단체사진 이미지(맨왼쪽_KBSI 이한주 박사(공동교신저자), 가운데_생기원-(주)유니오텍 최대식 박사(공동제1저자))

 본 연구결과는 KBSI 분석impossible 사업 및 IBS 사업의 지원으로 진행됐으며, 세계적 권위의 환경과학 분야 학술지인 Environmental Science & Technology誌 [논문명: Label-free live-cell imaging of internalized microplastics and cytoplasmic organelles with multicolor CARS microscopy, IF: 9.028, 생기원-(주)유니오텍 최대식(공동제1저자), IBS-고려대 임소희(공동제1저자), KBSI 이한주(공동교신저자), IBS-고려대 조민행(공동교신저자)]에 1일(화) 지면 게재됐다.

 KBSI 이한주 박사는 “이번 연구는 생체 내 미세플라스틱 분석을 통해 무염색 레이저 이미징의 효용성을 보여준 결과로, 기술을 좀 더 발전시키면 식품, 화장품, 세척제 등 생활 소비재의 유해물질 안전성 평가에도 유용하게 쓰일 것”이라며, “향후 국내 유관기관과의 협력을 통해 미세플라스틱의 생체 영향 및 독성 규명은 물론, 환경오염과 유해물질 이슈의 대응에도 적극적인 역할을 할 수 있도록 노력하겠다”고 말했다. <끝>