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[미국 하버드대학, <생체분자 상호작용 관찰 100나노 중적외선 레이저>기술 발견, 바이오기술(BT)을 중심으로 기존의 IT와 NT기술이 융합되는 BINT 융합기술, 100나노 파장의 중적외선 레이저를 쏘이면 분자들의 10,000-18,000나노크기의 분자들의 상호작용을, 1,000나노크기의 세균들의 감염활동을, 100나노크기의 암을 일으키는 바이러스들의 공격상황을 고선명 영상이미지로 찍어내, 조만간 빛만 쪼이면 무엇이든지 알아낼 수 있는 세상 도래, 누가 선한 사람이고 누가 악한 사람인지 감지할 수 있어(New Lasers Peer into Cells. Tiny antennae focus infrared laser light down to 100 nanometers, providing a way for scientists to see cells at work(09/Nov/2007))
나노 안테나(Tiny antennae)를 이용하여 적외선 레이저(infrared laser light)를 100나노미터 크기의 파장으로 초점을 집중(focus)시켜 세포들을 들여 다(peer) 보면 세포들이 어떻게 상호작용(work)을 하는지 알아내는 기술을 미국 하버드대학 엔지니어들이 발견했다는 보도이다. 그것도 아주 고선명의 영상(ultrahigh resolution)으로 세포들의 이벤트(events)들을 관찰할 수 있는데, 이때 이벤트란 세포 내의 단일 외분비작용 사건(exocytosis event)과 내분비작용(endocytosis) 사건을 의미하는데, 외분비작용 사건이란 세포 안의 소포(vesicles)들이 세포 표면의 세포막(membrane)으로 이동하여 세포막의 플라즈마(plasma)와 융합(fusion)될 때 소포 내의 물질(materials, 이온, 호르몬 등)들이 분비(secretion)되는 작용을 말한다. 이와 반대되는 현상을 내분비작용(endocytosis)이라 한다. 이러한 빛의 기술을 이용하여 셍체분자들의 상호작용을 분석진단하는 기술을 비파괴 생체조직진단검사(Biopsy) 1)라 한다.
[목차]
1. 기술발견의 요약
2. 양자-카스카데 레이저(a quantum-cascade laser)란?
3. 어떻게 만들었나
4. 응용분야
5. 기타 빛을 이용한 생제조직진단검사에 도전하는 기술들
6. 결론 1/2
7. 결론 2/2
1. 기술발견의 요약
연구원들은 나노 안테나(nano antennae)를 적외선 레이저에 추가하고, 적외선 레이저 빛을 아주 조밀하게 초점을 모아, 세포들을 관찰함으로써 그것도 기존 영상보다 무려 100배 선명한 영상(imaging)을 잡아 낼 수 있었다. 아직까지 조직세포들의 화학물질(chemical composition of tissues)을 들여 다 보는데 사용하고 있는 마이크로현미경의 영상은 소위 '회절한계(diffraction limit)'라 불리는 빛의 물리적 속성(physical property of light) 때문에 그 만큼 영상도를 높일 수 없었다. 또한 전통적인 렌즈를 사용하여 빛을 모으면 원래 빛의 파장보다 반 정도 만큼의 하나의 빔으로 초점을 맞출 수 밖에 없었다. 또한 24마이크로미터 파장의 중적외선(mid-infrared light)을 이용하는 마이크로현미경은 초점거리가 무려 12마이크로미터로 넓게 나타난다. 그러나 일반 동물의 세포의 크기는 10-18마이크로미터(10,000-18,000나노미터) 크기이고, 박테리아는 1마이크로미터(1,000나노미터) 크기이며, 바이러스는 이보다 더욱 작은 10-100나노미터 크기이기 때문에, 초점이 12마이크로미터면 이들을 볼 수 가 없는 것이다.
[그림(02367-03). 나노와 멤스(MEMS)/넴스(NEMS)의 크기와 영역 매트릭스. 출처 : 차원용, "매트릭스 비즈니스(2006)", 페이지 508.]
2. 양자-카스카데 레이저(a quantum-cascade laser)란?
2006년 하버드대학의 연구원들은 이 회절한계를 극복할 수 있는 하나의 실제적인 시스템을 개발했다. Federico Capasso 2)와 Kenneth Crozier 3)는 이 시스템을 일반 PC에 있는 디스크를 읽고 쓰는 레이저에 적용했다. 이러한 작업은 영화 수백편을 저장할 수 있는 DVD같은 고집적 저장매체를 만들어 낼 수 있다. 하버드대학 연구원들은 이 기술을 양자-카스카데 레이저(a quantum-cascade laser)라 불리는 바이오 영상(biological imaging)이라는 새로운 영역에 적용했다.
[그림 : 중적외선 레이저 광학 안테나를 이용하면 영화 수백편을 저장할 수 있는 DVDs를 만들 수 있어. Credit: John Hersey]
이 양자-카스카데 레이저(a quantum-cascade laser)는 1994년 Capasso와 미국 Bell Labs의 다른 연구원들에 의해 발견된 것으로, 이 레이저들은 컴팩트(compact)하고 견고하여(sturdy) 소위 중적외선(mid-infrared)이라 불리는 스펙트럼의 파장에서 빛을 발광하도록 만들 수 있는 것이다. 이 중적외선 파장 영역은 2-24마이크로미터이다. 이 중적외선을 분자들에 쏘이면 같은 파장 영역의 주파수에서 분자들이 공명(resonate)하게 되므로 서로 다른 분자들의 화학성분을 밝혀 내는데 유용하게 사용될 수 있다. 따라서 양자-카스카데 레이저(a quantum-cascade laser)는 아주 적은 양의 가스(gases), 특별한 오염물질 들을 10억분의 1정도의 양이나 수준까지 감지해낼 수 있다.
3. 어떻게 만들었나
Crozier와 Capasso는 빛이 발광되는 곳에 아주 작은 두 개의 금 막대기(two tiny gold bars)를 새겨 넣어(carving) 기존의 양자-카스카데 레이저(a quantum-cascade laser)로 하여금 더욱 날카롭게 초점을 모으도록 했다. 우선 하나의 얇은 금 막대기를 준비하고, 각각 1.2마이크로미터 길이의 두 개의 직사각형 안테나를 홈을 파서 만들었다. 그 다음 레이저가 빛을 발하면 이 두 개의 금 안테나 사이의 간격인 갭(gap)에 하나의 고집적 전기장(an intense electric field)이 형성되고, 이 전기장은 빛들로 하여금 그 갭 사이의 넓이와 같은 100나노미터의 하나의 빔을 만들게 된다. 다시 말해 초점 거리가 100나노미터이므로 1,000나노의 박테리아나 10,000-18,000나노의 세포들, 아니 100나노의 바이러스까지 관찰 할 수 있다는 얘기이다. 이러한 레이저를 이용한 마이크로현미경은 결국 100나노미터크기의 영상을 만들어 내는 것이다.
[그림 : 선명한 영상점. 양자-카스카데 레이저 상의 두 개의 금 막대기 바들의 각각의 길이는 1.2마이크로미터이다. 이 바들은 안테나 역할을 하면서 중적외선 레이저를 바 사이의 간격인 100나노미터 크기 파장의 레이저 초점을 만들어 같은 주파수대에 공명하는 100나노 크기 생체분자들의 상호작용을 고선명 영상으로 잡아낸다. Credit: Nanfang Yu, Ertugrul Cubukcu, and Federico Capasso, Harvard University]
4. 응용분야
"양자-카스카데 레이저(a quantum-cascade laser)의 고선명 영상기술에의 응용은 아직 상용화되지 않았습니다"라고 Bell Labs에서 양자-카스카데 레이저(a quantum-cascade laser) 개발에 관여했던 Princeton University 대학의 전기 엔지니어인 Claire Gmachl 4)는 말한다. 하지만 Gmachl는 이 응용기술은 분자수준에서의 바이오 영상을 얻는데 가장 희망적인 기술이라 말한다. 예를 들어 조만간 이러한 중적외선 레이저를 이용한 마이크로현미경이 나오면 세포 표면에서의 각각 단백질들의 상호작용까지 감지해 낼 수 있다.
또한 이 광학 안테나를 이용하면 영상의 크기는 두 개의 금 막대기 사이의 갭(gap)크기에 불과하지만 - 지금은 100나노미터 - 그러나 조만간 나노공정이나 조립기술에 혁신이 가해지면, 이보다 몇 백배 더욱 작은 고선명의 영상까지 잡아낼 수 있을 것이라고 Crozier는 말한다.
5. 기타 빛을 이용한 생제조직진단검사에 도전하는 기술들
차원용 소장은 그의 저서 <매트릭스 비즈니스(2006)> 제3부 4장 4-4절의 <비파괴 생체구조조직진단검사(Biopsy) 기술의 종류, 센서 기술의 중요성>와 4-5절의 <비파괴 생체구조조직진단검사(Biopsy) 기술의 개발 및 적용 사례>에서 이미 이러한 기술에 도전하는 사례들을 소개한 바 있으므로 이 책을 참조하거나 다음 사이트를 참조하면 된다.
4-4. 비파괴 생체구조조직진단검사(Biopsy) 기술의 종류, 센서 기술의 중요성
http://www.studybusiness.com/HTML/MB/13chapter/e-book_297.htm#4-4
4-5. 비파괴 생체구조조직진단검사(Biopsy) 기술의 개발 및 적용 사례
http://www.studybusiness.com/HTML/MB/13chapter/e-book_299.htm#4-5
4-5-1. 전자부품연구원, 피부에 센서대는 나노 바이오 진단기 개발
4-5-2. 전자부품연구원, 밤에도 동영상 촬영 가능 SMPD 센서 개발
4-5-3. Intel, 나노-라만 바이오진단분석 시스템 개발
4-5-4. 전북대, 미분간섭효과 활용 유전자 실시간 이미지 검출
4-5-5. 포항공대, 머리카락 내부 80nm 단위 촬영에 성공
4-5-6. 포항공대, 0.1 나노미터 크기의 내부구조를 2차원 분석
4-5-7. 서울대/독일, 원자의 움직임을 10피코초 단위로 측정
4-5-8. KAIST, 형광공명에너지전이(FRET) 단백질 상호작용 분석
4-5-9. ㈜진매트릭스, 질량으로 유전변이 측정 RFMP개발
4-5-10. 포항공대, 집에서 암진단 디지털바이오디스크(DBD) 개발
4-5-11. 미국, 15톤급 슈퍼 초전도 자석 완성
4-5-12. UCLA, 세포를 음악으로 진단분석하는 소리의학에 도전
6. 결론 1/2
본 <생체분자 상호작용 관찰 100나노 중적외선 레이저>기술은 바이오기술(BT)을 중심으로 기존의 IT와 NT기술이 융합되는 다음 아래 그림(02367-05) 중 ④번 영역의 공통융합기술로 BINT 융합기술로 분류할 수 있으며, 차원용 소장의 박사학위 논문인 <바이오기술(BT) 기반의 IT와 NT 융합 유형 및 발전 방향에 관한 연구(A Study on BT-centric Converging Technology Types and Development with IT and NT(20/June/2007)> 5)에서 밝힌 대로 이 ④번 영역의 융합기술은 미래의 부를 창출하는 100% 확률의 기술임을 알 수 있다. 이에 도전하는 기업들은 축복이 있을지니.....
7. 결론 2/2
자, 이제 빛만 쪼이면 무엇이든지 다 알아내는 세상으로 진입하고 있다. 바이블(성경, 개역한글 : NIV) 요한복음 3장 19절에서 21절을 보면 다음과 같은 구절이 나온다.
19 : 그 정죄는 이것이니 곧 빛이 세상에 왔으되 사람들이 자기 행위가 악하므로 빛보다 어둠을 더 사랑한 것이니라(This is the verdict: Light has come into the world, but men loved darkness instead of light because their deeds were evil.)
20: 악을 행하는 자마다 빛을 미워하여 빛으로 오지 아니하나니 이는 그 행위가 드러날까 함이요(Everyone who does evil hates the light, and will not come into the light for fear that his deeds will be exposed.)
21: 진리를 따르는 자는 빛으로 오나니 이는 그 행위가 하나님 안에서 행한 것임을 나타내려 함이라 하시니라(But whoever lives by the truth comes into the light, so that it may be seen plainly that what he has done has been done through God.")
인간의 과학기술이 점점 발전되어 창조주의 창조 비밀(지식)을 풀어 내면서 현재의 과학기술지식은 엄청난 속도로 증가하고 있다. 이제 에이즈 바이러스 크기의 100나노를 중적외선 빛으로 쏘여 찾아낼 수 있다는 것은 인간의 세포이든 어떤 물질이든 간에 빛만 쪼이면 그 것이 무엇인지 알아 낼 수 있다는 것이다. 1나노를 잡아내는 빛을 발견하면 우리 인간의 DNA 분자구조를 알아 낼 수 있고, 0.1나노를 잡아내는 빛을 발견하면 원자, 즉 DNA의 정보까지 알아 낼 수 있을 것이며, 1나노보다 1,000배 작은 피코(pico)크기를 찍어내는 빛을 발견하면 유전자에 기록된 우리 인간의 태어나서 죽을 때까지의 모든 기록(95%의 Junk DNA는 바로 인간의 행동을 기록하는 Book이다 ))을 파악할 수 있으니, 악한 행위를 한 사람들은 빛으로 나올 수 없다는 얘기인 것이다. 자기가 행한 악한 행위들이 빛에 의해 모두 드러나므로 결국 어둠 속에서 살아 갈 수 밖에 없다는 것이다. 이제 인간들은 창조주가 창조한 빛의 기술을 발견하여 빛만 쪼이면 누가 선한 사람이고 누가 악한 사람인지 다 알아 낼 수 있는 세상으로 진입하는 것이다. 지금도 이 세상은 모든 것이 다 오픈되는 세상으로 가고 있지 않는가?
[소스]
[Technology Review-New Lasers Peer into Cells(30/Oct/2007)]
http://www.technologyreview.com/Infotech/19638/?a=f
[Technology Review-TR10: A New Focus for Light(12/Mar/2007)]
http://www.technologyreview.com/read_article.aspx?ch=specialsections&sc=emerging&id=18295
키워드 : 생체분자 상호작용 관찰 100나노 중적외선 레이저, 바이오기술(BT), IT, NT, BINT, 융합기술, 100나노 파장의 중적외선 레이저, 분자들의 상호작용, 세균들의 감염활동, 바이러스, 고선명 영상이미지, 나노 안테나(Tiny antennae), 적외선 레이저(infrared laser light), ultrahigh resolution, 비파괴 생체조직진단검사(Biopsy), 양자-카스카데 레이저(a quantum-cascade laser), 요한복음, 빛, 어둠, 선, 악, 진리
1) http://www.studybusiness.com/HTML/MB/13chapter/e-book_297.htm#4-4
2) http://www.seas.harvard.edu/capasso/
3) http://www.seas.harvard.edu/crozier/
4) http://www.ee.princeton.edu/people/Gmachl.php
5) http://www.studybusiness.com/HTML/NBIT/
6) http://www.studybusiness.com/HTML/MB/9chapter/e-book_161.htm#7-4-3
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