▲새로운 AI 기반 시스템으로 세포 내 단일 분자 분석이 가능해졌다(사진=ⓒ123RF)

오사카대학과 리켄연구소의 합동연구팀이 살아있는 세포 내에서 단일 분자를 탐색, 촬영, 추적할 수 있는 인공지능 기반 시스템을 개발했다.

이 획기적인 시스템은 단기간 내에 수백 개의 세포 속에 든 무수한 단일 분자를 분석하는 데 사용할 수 있으며, 그 결과 관심 있는 분자의 상태 및 역동성에 대한 신뢰할 수 있는 데이터를 만들 수 있다.

살아있는 세포의 생체 분자에서 하나의 분자만을 영상 촬영할 수 있게 되면서 세포 신호와 다른 분자 메커니즘에 대한 조사의 기틀을 마련하게 됐다.

이 방법으로 살아있는 세포의 생체 분자 행동과 생체 분자 위치 및 움직임에 대한 양적 탐지, 단일 분자 감수성을 가진 생체 분자의 복잡한 구성을 직접 관찰할 수 있게 됐다.

다시 말해, 이 기법은 분자 메커니즘을 명확히 규정하기 위해 사용할 수 있는 강력한 도구다.

세포 내에서 어느 분자가 기능하는지, 혹은 분자가 약물에 어떻게 반응하지는 확인하기 위해서는 세포 내 분자 위치 및 세포 상태 변경 시 변화 내용 등을 포함해 개별 분자를 모니터하는 것이 최선의 방법이다.

그러나 이는 현재 사용하는 기술로는 상당히 부담스러운 일이었다. 특히 모니터하는 데 상당한 시간이 소요되기 때문이다.

이 같은 문제를 해결하기 위해 연구팀은 인공지능을 사용한 현미경 검사를 토대로 한 살아있는 세포 분석용 자동화 단일 분자 영상촬영 시스템(AiSiS)을 개발한 것이다.

이 시스템은 관찰이 가능한 세포 탐색에서부터 정초점 위치 탐지, 영상촬영, 단일 분자 추적 등 필요한 모든 조치를 자동화했으며 매우 정확하고 효율적이다.

이번 연구 결과는 세계 학술 저널 ‘네이처 커뮤니케이션’에 발표됐다.

신경 네트워크

리켄 연구팀이 개발한 이 새로운 시스템은 샘플에 정확하게 초점을 맞출 수 있고 세포를 자동으로 탐색할 수 있으며 전반사 형광현미경을 사용해 형광성 물질로 표식한 단일 분자를 모니터하도록 훈련된 신경 네트워크를 사용하고 있다.

특히, 전반사 형광현미경은 영상촬영 및 분석에 걸리는 시간을 단축해 생물학 및 의학 분야의 단일 분자 영상촬영 기술에 종합적으로 사용할 수 있는 잠재력이 있다.

AiSiS를 익히는 데 특별한 요건을 필요하지 않기 때문에 시간 요건도 줄일 수 있다.

연구팀은 “AiSiS에 장착된 새로 개발된 기본 기술은 기존의 루틴을 자동화시켜 고배율 현미경으로도 사용할 수 있어서 상당한 시간과 노력을 해야 하는 생명 과학 연구의 영상촬영 및 분석 상황을 상당히 개선할 수 있게 됐다”고 주장했다.

연구팀은 표피생장인자 수용체(EGFR)라는 이름의 수용체 단백질을 사용해 AiSiS의 기능을 평가했다.

테스트 결과, 새로운 시스템 AiSiS는 세포막의 단일 수용체 움직임을 관찰해 변경 및 비변경 상태를 구분할 수 있었다.

AiSiS는 표준 초점 유지 시스템으로 관찰한 수분 및 세포 사이의 굴절율의 차이를 피할 수 있었다.

새로운 시스템의 장점

AiSiS의 자동 초점 방법은 세포보다 홍채의 명시야상을 사용하기 때문에 모든 세포 유형이나 형광 염료에도 이 알고리즘을 활용할 수 있다.

딥 러닝 기반 기법을 사용한 자동 세포 탐색은 다음과 같은 두 가지 장점이 있다.

첫째는 세포계에서 시행착오법을 사용해 수동으로 확인하는 필터링 변수 같은 다른 방법에 비해서 자동 세포 탐색법은 사용자 친화적이기 때문에 영상 처리 및 필터링에서 전문가가 아닌 사람도 사용할 수 있다.

사용자는 영상촬영 할 부분만 표시한 후 내용을 입력만 하면 된다.

둘째 수동 작동보다 33밀리 초 내에 촬영된 하나의 형광 영상으로 세포를 관찰할 수 있어서 형광 탐침으로 인한 광 퇴색을 줄일 수 있다.

다양한 리간드와 약물 농도 효과로 발생하는 원형질막의 EGFR 측방 이동성 변화를 개별 세포별로 세밀히 관찰할 수 있고, 확산 계수와 저 중합체 크기 등을 포함한 여러 가지 역동성 및 약물학적 요인을 확인할 수 있다.

연구 저자인 우에다 마사히로 박사는 “이번 개발을 통해 표적에 작용하는 리간드 및 억제제의 효과를 단일 분자 수준에서 측정할 수 있게 됐다”고 말했다.

마사히로 박사는 또한 “자동화를 통해 분자에 노출된 다수의 표적을 조사할 수 있게 됐으며 결과의 신뢰도를 강화할 수 있게 됐다”고 덧붙였다.

연구팀은 다른 광학 현미경에 이번의 개발 시스템을 적용해 핵과 세포기관 같은 세포 내 단일 분자를 모니터할 계획이다.

게놈 전반의 검사와 약물학 테스트에도 임상적으로 사용할 것이라고 밝혔다.

▲연구팀은 새로운 시스템을 다른 광학 현미경에 적용해 세포의 단일 분자를 모니터할 계획이다(사진=ⓒ123RF)