형광 염색 없이 체내 미세플라스틱 추적하는 기술 개발

한국기초과학지원연구원(KBSI, 원장 신형식)은 서울센터 이한주 박사 연구팀이 형광 염색을 하지 않고도 생체에 흡수된 미세플라스틱의 위치와 이동 과정, 축적 상태를 실시간 추적·관찰할 수 있는 레이저 이미징 기법을 개발했다고 3일 밝혔다.

연구팀은 미세플라스틱과 세포 소기관의 생체 움직임을 동시에 볼 수 있는 분석법을 세계 최초로 개발했다. 미세플라스틱 오염 실태나 인체 유해성 규명에 상당한 도움이 되리란 기대다.

생체에 흡수된 미세플라스틱의 생물학적 영향과 독성을 파악하려면 살아있는 생체시료에서 미세플라스틱의 위치, 이동, 축적 과정을 실시간 관찰 및 분석해야 한다.

이를 위해 미세플라스틱과 생체기관에 서로 다른 형광물질을 염색해 관찰하는 이미징 기법을 주로 사용한다. 이 방법은 번거로운 형광 염색 과정을 거쳐야 하고, 형광물질의 광 탈색으로 장시간 측정이 어렵다는 단점이 있다. 환경에 노출된 미세플라스틱은 인위적 염색이 불가능하며, 형광물질 자체가 독성을 지닐 수 있다는 점도 미세플라스틱 독성 규명의 어려움이었다.

연구팀은 형광 염색 없이 물질의 고유 진동에너지를 이용해 서로 다른 화학성분의 미세입자를 동시에 영상화하는 CARS 이미징 기술을 활용했다.

KBSI 이한주 박사(왼쪽)와 유니오텍 최대식 박사(가운데) 등 연구진과 연구 장비 (자료=KBSI)

CARS 이미징 기술은 20여 년 전 개발돼 바이오와 의학 연구 등 다양한 분야에 활용돼 왔지만, 이미징 속도가 느려 종류가 다른 미세입자의 움직임을 동시에 관찰할 수 없었다. 이번에 개발한 기술은 레이저 스캐닝 방식을 다색 CARS 이미징 기술에 접목해 이미징 속도를 기존보다 50배 이상 높였다. 그 결과, 살아있는 세포에 흡수된 미세플라스틱과 세포 소기관의 생체 움직임을 수십 초 간격으로 관찰할 수 있었다.

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

연구팀은 세포뿐 아니라 모델 생물인 예쁜꼬마선충에서도 미세플라스틱의 생체 분포 및 축적 상태를 관찰했다. 2㎛ PS는 조직 침투 흔적 없이 선충의 위장 관 통로에 주로 축적된 반면, 관의 바깥 조직에는 대부분 지질 저장소가 넓게 분포돼 있음을 확인했다. 크기와 모양이 유사한 두 물질이 공존하는 상황에서 미세플라스틱의 조직 침투 여부를 정확하게 판단할 수 있었다.