초박막 패릴렌 기반 미세유체 장치로 단백질 구조 변화 정밀 분석…신약 개발·생명과학 연구에 새 전기

KAIST 연구팀이 수 밀리초(ms) 단위의 생화학 반응을 정밀하게 포착할 수 있는 새로운 분석 기술을 개발했다. 이 기술은 단백질 간 상호작용과 효소-기질 반응 등 생명현상에 중요한 단백질 복합체의 순간 구조를 고해상도로 관찰하는 데 핵심적인 전환점을 마련했다.

KAIST 화학과 강진영 교수와 물리학과 이원희 교수 공동 연구팀은 6밀리초(1,000분의 6초)라는 초고속 시간 해상도에서 단백질 반응을 정지·포착할 수 있는 ‘패릴렌 기반 박막 미세유체 혼합-분사 장치’를 개발했다고 3월 24일 발표했다. 이 기술은 기존 TRCEM(Time-resolved cryo-electron microscopy) 방식의 한계를 뛰어넘으며, 시료 소모량을 3분의 1로 줄이면서도 반응 시간 단축에 획기적인 성과를 거두었다.

기존 한계 넘은 TRCEM, 생명과학 분석에 새 기준 제시

시간 분해 초저온 전자현미경(TRCEM)은 단백질 복합체가 반응하는 짧은 순간을 초저온에서 급속 동결시켜 구조를 분석하는 기법이다. 그러나 반응 중간체가 극히 짧은 시간 동안 존재하기 때문에 일반적인 cryo-EM 기술로는 이를 포착하는 데 한계가 있었다.

TRCEM 방식은 미세유체 장치 내부에서 시료를 혼합한 뒤 특정 시간 후 그리드에 분사하고 액체 에탄올에 얼려 분석하는 기술이지만, 기존 장치는 최소 반응시간이 10밀리초 이상으로 제한됐고, 시료 소모량도 일반 cryo-EM의 10배 이상이었다.

KAIST 연구팀은 이러한 문제를 해결하고자 패릴렌(parylene) 소재를 적용한 초박막 혼합-분사 장치를 고안했다. 패릴렌은 마이크로미터 수준의 얇은 박막으로, 높은 압력에서도 안정적인 유체 분사를 가능하게 하는 재료다. 이를 통해 연구팀은 시료 혼합 시간을 0.5밀리초까지 단축시키고 전체 반응시간을 6밀리초로 줄이는 데 성공했다.

정밀한 구조와 반응 속도 구현, 실제 실험으로 입증

연구팀이 개발한 장치는 시약 주입구, 빠른 혼합을 위한 믹서, 반응 채널, 그리고 박막형 분사 노즐로 구성되었다. 믹서는 기존보다 단면적을 1/8로 줄여 동일 유량에서 유체 속도를 높이고 혼합 효율을 크게 향상시켰다.

또한 노즐은 기존의 두꺼운 유리관 대신 10μm 두께의 초박막 패릴렌 채널을 사용해 균일하고 정밀한 젯 형성을 유도했다. 이로써 시간 분해 실험의 정확도와 재현성을 높일 수 있었다.

연구팀은 RecA 단백질과 ssDNA 간의 필라멘트 형성 반응 실험을 통해 패릴렌 장치의 정밀도를 입증했다. 실험 결과, 기존 장치보다 표준편차가 절반 이상 줄어들었고, 필라멘트의 성장 속도 또한 기존 연구 문헌과 일치해 정밀한 시간 제어가 가능함을 증명했다.

생명현상 연구와 신약 개발을 위한 새 지평

이번 연구는 생화학 반응의 ‘찰나’를 포착할 수 있는 기술적 전환점을 제시한 것으로 평가된다. 연구팀이 개발한 장치는 시간 해상도를 기존의 10밀리초에서 6밀리초로 획기적으로 단축하면서, 빠르게 진행되는 단백질 반응 연구의 가능성을 크게 넓혔다.

뿐만 아니라 시료 소모량을 3분의 1 수준으로 줄임으로써 연구 효율성을 높였고, 구조 생물학은 물론 신약 개발, 효소 반응 연구, 바이오센서 개발 등 다양한 분야에서 활용될 수 있는 확장성을 보여주었다.

강진영 교수는 “TRCEM 기법을 더욱 실용적인 방식으로 발전시킨 이번 연구는 생명과학 전반에 걸친 다양한 응용 가능성을 시사한다”며, “향후 이 기술이 신약 개발과 효소 반응 연구 등에 널리 쓰일 것으로 기대한다”고 밝혔다.

이원희 교수 또한 “연구팀은 앞으로 더 빠른 반응 시간을 구현하는 성능 고도화를 목표로 연구를 이어갈 것”이라며 지속적인 기술 발전 의지를 드러냈다.

이번 연구 결과는 KAIST 화학과 석박사통합과정 황혜랑 연구원이 제1저자로 참여해, 국제 저널인 《Advanced Functional Materials》 2025년 1월 28일 자 온라인 판에 게재되었다. 논문명은 ‘Integrated Parylene-Based Thin-Film Microfluidic Device for Time-Resolved Cryo-Electron Microscopy’이며, DOI는 doi.org/10.1002/adfm.202418224이다.

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