국내 최초 바이오용 X-ray 현미경 신규 장비 구축, 지금부터가 시작!

저는 한국기초과학지원연구원(기초(연)) 광주센터 노화연구시설에서 근무하고 있으며, 박재일 연구원입니다.

이 곳은 연구시설ㆍ장비 및 분석과학기술 관련 연구개발과 지원 및 공동연구를 수행하는 기관이며, 각 지역은 특성화 연구분야 및 관련 첨단연구 시설ㆍ장비를 집적화하고 있습니다.

저희 센터는 노화연구 및 소재특성분석을 특화분야로 선정하고 있습니다. 제가 속한 노화연구팀은 올해 노화연구시설을 광주광역시 남구 도시첨단산업단지에 신규건물을 건립하여, 국내 유일의 고령동물생육시설을 확장이전 함과 동시에 첨단연구장비도 같이 이전을 하였습니다.

새로운 둥지에서 저를 포함한 노화연구팀원들은 노화 및 퇴행성질환 관련 공동연구 및 연구지원을 담당하고 있죠.

저는 X-ray를 기반으로 한 비침습적으로 매크로에서 나노수준까지의 다양한 소재에 대한 구조 분석ㆍ측정 및 생체영상장비인 DXA(소동물용 체성분 분석기), Micro-CT(소동물용 라이브 컴퓨터단층촬영), 및 Nano-CT(비침습적 나노 컴퓨터단층촬영)를 활용한 생체 적합성, 특이성, 각종 노인성 질환의 진단 및 치료 효능 등의 기존의 미분석을 보완하며 새로운 바이오이미징 분석영역을 개척하고자 노력하고 있습니다.

이전의 스토리텔링을 해야 올해 도입한 X-ray 현미경 구축의 배경을 더 잘 이해할 수 있을 것 같네요.

6년 전 저는 센터가 가진 미션에 부합하고 광주센터를 특성화 분야로 발전시키기 위해 제 연구 분야와도 동떨어지지 않으면서도 연구개발, 공동연구 및 연구지원까지 가능한 신규 연구장비를 선택함에 신중을 많이 기했던 것 같습니다.

오랜 고민 끝에 In Vivo Micro-CT를 선택하고, 이듬해 장비구축을 하여 X-ray기반하에 비침습적이면서 실험동물의 희생 없이 다양한 생체영상분석이 가능한 연구를 추진할 수 있었습니다.

그리고 3년 뒤, X-ray기반의 소동물용 체성분 분석기(DXA)까지 구축하면서 라이브로 실험동물의 비침습적인 연구영향을 넓히게 되었죠. 

그러면서 뜻밖에 X-ray를 활용한 장비의 매력에 매료되었고, 이에 따른 소동물용 실험동물인 마우스와 랫트를 활용한 X-ray 기반의 다양한 연구를 진행하고 있었으나, 매크로 수준에서 소동물을 관찰하는데 있어 바이오 영상이미징의 해상도 한계를 절실히 느끼기 시작했습니다.

그 뒤 2017년 X-ray 기반의 고해상도로 이미징이 가능한 장비를 소개 받았으며, 이는 전북 KIST에 구축된 ZEISS Xradia Versa 520이었습니다. 해마다 자이스에서 주최하는 장비 세미나 또는 워크샵에 참석하면서 더욱 관심이 생겼으며, 본 장비를 활용한 생물분야로 연구영역을 확대해보고자 하는 욕심도 생겼습니다.

2019년 X-ray 현미경 구매를 결심한 뒤 구매 준비를 하면서 이 장비에 대한 공부를 많이 했던 것으로 기억하고 있습니다. 왜냐하면 보편적으로 Xradia Versa 520은 소재분야에서 많이 사용되고 있었고, 해외에는 소수 연구자만이 생물 분야에 적용이 되고 있어서, Reference로 받을 수 있는 데이터도 적어 국내 바이오 분야 X-ray 현미경으로는 최초였던 구매 경험이었죠.

장비 심의를 거치는 동안 Xradia Versa 520이 Versa 620으로 업그레이드 되면서 운좋게도 가장 최신 장비인 Xradia 620 Versa를 구축하게 되었습니다.

사실 이 질문은 연구자인 저에게는 너무 흥분되고 기대되는 질문입니다.

기존에 제가 하던 연구분야도 당연히 Xradia Versa 620 장비로 수행을 할 예정입니다만, 기초(연)의 역할에 따른 신규장비의 구축으로 신규 이용자의 요청에 따른 새로운 연구 분야가 생기게 되고, 새로운 도전이 벌써부터 시작되고 있습니다.

X-ray 장비를 활용한 연구를 진행하기 이전에 해결해야 할 두 가지 단계가 있습니다.

첫째, 샘플 및 시료에 대하여 어떤 조건에서 X-ray 촬영을 할까? 입니다. 사실 이부분도 새로운 분야에서는 쉽지 않은 일은 듯 합니다.

둘째, 분석은 어떻게 진행을 할까? 입니다. 사실 이부분이 더욱 힘든 일입니다. X-ray 장비 운영은 제게  X-ray 촬영이 10%이며, 분석이 90%의 비중을 차지한다고 생각합니다.

사실 좋은 이미지에는 흔들림이 없고 해상도도 좋아야 한다는 전제 조건이 있기는 합니다만, 촬영 조건을 잘 찾게 된다면 장비의 성능과 해상도에 따라서 좋은 이미지는 얻을 수 있을 것입니다.

좋은 이미지를 얻었으니 절반은 성공이라고 할 수 있으나, 저는 이제부터 시작이라는 생각이 드네요. 어떤 분석 프로그램을 쓸 것이며, 어떻게 분석지표를 잡을지 더 고민되기 시작하는거죠.

X-ray 현미경을 통해 얻은 데이터 만족도는 이미지 측면에서는 아주 높습니다. 다만 분석은 너무나 다양한 파라미터 및 요구 수준이 높아짐으로 인해 분석은 앞으로 더 도전해 봐야 하는 부분인 듯 합니다.

저는 Xradia Versa 620 장비로 바이오 분야 연구로는 ①골다공증 질환, ②관절염 질환, ③충진제, 치주염 소재 개발 ④임플란트 소재개발, ⑤곤충 등의 초미세구조 연구와 신소재 분야 ①이차전지, ②신합금소재 개발, ③의료용 금속소재 개발 등의 공동연구 및 연구지원을 추진 할 예정이오니 관심 있으신 분들의 많은 문의 부탁 드립니다.

단연코 장비로만 국한한다면 해상도입니다.

당시 타지방의 데모 사이트에 설치되었었던 Xradia Versa 520를 활용한 바이오 샘플을 찍으면서 이미지에 대한 해상도는 아주 만족했으며, 현재 Xradia Versa 620에서 얻어지는 이미지 해상도는 현재까지 보지 못한 미지의 세계를 관찰하는 듯한 신세계에 빠져 들게 되었습니다.

더 좋았던 점은 올해 전세계 코로나로 인한 팬데믹 상황에서 신규 장비 구축이 늦어지면 어쩌나 걱정을 했으나, 자이스 엔지니어와 어플리케이션 분들을 포함한 모든 직원들의 전폭적인 지원과 장비 설치 및 장비 교육 등 요청 드린 시일 내에 원활한 장비 운영이 될 수 있도록 도와주셔서 고맙다는 말씀 꼭 전해드립니다.

더 바라는 점은 앞으로도 저희 장비 운영을 위한 많은 지원입니다. 타 기관과 다르게 신규장비의 구축에 따른 연구지원의 업무로 인해 전국에서 각계 다양한 연구분야와 연구자 분들에 대한 분석 의뢰가 생기게 됩니다. 이에 따라 다각도의 연구 네트워크가 만들어질 것이며, 처음 접해보는 신규 분석, 나아가 고난이도 해결 방법 등의 쉽지 않은 역경이 있을지도 모릅니다. 저와 자이스 지원 인력 분들이 협심하여 잘 해결해 나아갔으면 합니다. 감사합니다.

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