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서울대학교 공과대학(학장 이병호)은 박정원 화학생물공학부 교수, 노성훈 생명과학부 교수 공동 연구팀이 초저온 투과전자현미경을 통해 바이러스와 단백질의 바이오 물질을 고속·고효율로 직접 관찰할 수 있는 그래핀 기반 디바이스를 개발에 성공했다고 16일(목) 밝혔다.

백신 및 신약의 성공적인 개발을 위해서는 바이러스 및 단백질을 고화질로 촬영해 3차원 구조를 밝혀내야 한다. 이런 필요에 따라 바이오 물질을 급속 냉각한 후 초저온에서 구조를 직접 관찰하는 ‘초저온 투과전자현미경법’이 개발돼 관련 연구자들이 2017년 노벨화학상을 수상하기도 했다.

해당 기법은 바이러스 및 단백질과 같은 바이오 재료 구조를 밝히고 분석하는 데 필수적인 기법이지만, 급속 냉각 시편을 제작하는 데 많은 어려움이 있어 적극적인 활용에 한계가 있었다.

이에 박정원, 노성훈 교수 공동 연구팀은 ‘반도체 제작 공정’과 ‘그래핀 기반 2D 나노 재료’를 활용해 초저온 투과전자현미경 디바이스를 대량 제작하는 데 성공했다. 이 디바이스를 통해 바이러스와 단백질의 구조를 직접 관찰했으며, 단백질의 3차원 구조를 풀어냈다.

이번에 개발한 디바이스는 수만 개의 미세 우물 구조를 지니는 디바이스로 반도체 공정 과정에서 미세 우물의 두께를 조절함으로써 수십 나노 두께의 얼음층 조절에 성공했고, 이를 통해 바이러스 및 단백질 구조를 원자분해능으로 촬영했다.

또한 바이오 재료뿐만 아니라 나노 크기의 다양한 무기 재료의 초저온 투과전자현미경 분석이 가능하다는 것을 확인했다.

공동 연구팀은 “이번 연구를 통해 바이러스와 단백질과 같은 바이오 물질을 고속·고효율적으로 직접 촬영하고, 확보한 대량의 데이터를 통해 3차원 구조 분석이 가능해졌다”며 “앞으로 코로나 바이러스 백신 및 신약 개발을 위한 차세대 초저온 투과전자현미경 분석 디바이스로의 활용이 기대된다”고 말했다.

한편 이 연구는 과학기술정보통신부의 바이오·의료기술 사업, 차세대 바이오이미징 혁신기술 개발사업 및 포스코 청암재단의 지원을 받아 수행됐으며, 재료 분야 세계적인 학술지인 ‘어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)’에 9월 12일 자로 온라인에 게재됐다.