분자 스핀 양자 나노센서로 살아있는 암세포 내부 온도 정밀 측정

기존 양자센서의 구조적 한계

생체 세포 내부의 온도·자기장 측정에는 질소-공공(NV) 결함을 인위적으로 도입한 나노다이아몬드가 주로 활용돼 왔다. 이 소재는 생체 적합성이 우수하고 광학적으로 스핀 상태를 읽어낼 수 있다는 장점이 있으나, 입자마다 광자기공명(ODMR) 스펙트럼이 달라지는 구조적 비균질성 문제가 단일 입자 수준의 정밀 측정에서 오차를 유발한다는 단점이 있다. 도쿄대 야나이 노부히로 교수팀은 이 문제를 분자 양자 나노센서(MoQN) 설계로 해결하고자 했다.

MoQN의 구조와 동작 원리

연구팀이 개발한 MoQN은 파라-터페닐 나노결정 내에 펜타센 분자 스핀 큐비트를 균일하게 삽입한 구조다. 인위적 결함이 없는 분자 수준의 균일한 격자 구조 덕분에 스핀 큐비트의 양자 결맞음이 안정적으로 유지된다. 외부는 생체 적합성 계면활성제인 Pluronic F127로 코팅했다. 측정 방식은 펜타센 큐비트의 여기 삼중항 상태 스핀 방향을 ODMR 기법으로 검출하고, ODMR 피크 위치로부터 주변 온도를 산출하는 것이다.

중수소 치환으로 스펙트럼 분해능 개선

초기 실험에서 서로 다른 입자들이 동일한 ODMR 스펙트럼을 보이는 것처럼 관측됐으나, 펜타센-파라터페닐 분자의 전자 스핀과 수소 핵 스핀 사이의 초미세 상호작용(hyperfine interaction)에 의해 스펙트럼이 여전히 넓어지는 현상이 확인됐다. QST의 이시와타 히토시 박사는 분자 내 수소를 중수소로 치환하는 화학적 변형을 제안했고, 이를 통해 초미세 선폭 확장이 크게 억제되어 ODMR 스펙트럼의 정밀도가 향상됐다. 이는 분자 구조를 화학적으로 쉽게 조정할 수 있다는 MoQN의 플랫폼 특성을 활용한 것이다.

암세포 내 온도 측정 결과

MoQN을 암세포 세포질 내에 도입해 생체 내(in vivo) 조건에서 ODMR 측정을 수행한 결과, 세포 내부 온도가 주변 배지보다 일관되게 높은 것으로 나타났다. 이는 암세포의 대사 활성도를 반영하는 결과로 해석된다. 관련 연구 결과는 국제학술지 Science Advances에 게재됐다. 연구팀은 이번 성과가 세포 내 생물학적 현상의 특성 규명과 질환 진단 응용으로 이어질 수 있을 것으로 보고 있다.

남은 기술적 과제

현재 MoQN은 세포 내 특정 세포소기관을 표적으로 삼는 기능을 갖추지 못했으며, 입자 크기도 약 200 nm 수준으로 제한돼 있다. 특정 소기관 표적화 기능 추가와 나노입자 소형화가 향후 핵심 연구 과제로 꼽힌다. 연구의 출발점은 영국 글래스고대 샘 베일리스 그룹과 미국 UC버클리 아쇼크 아조이 그룹이 펜타센 도핑 파라-터페닐 결정에서 수행한 ODMR 연구에서 영감을 받은 것이었다.