카이스트에서 형광 염색 없이 세포의 분자 정보를 볼 수 있는 인공지능(AI) 현미경이 개발됐다. 카이스트는 박용근 물리학과 석좌교수 연구팀이 이 같은 내용이 담긴 논문을 세포생물학 분야 최고 권위지인 ‘네이처 셀 바이올로지’에 발표했다고 20일 밝혔다.
현재까지 생물학과 의학에서 가장 중요하게 쓰이는 기술 중 하나인 광학현미경은 이미지 형성 원리에 따라 여러 형태로 발전해왔다. 최근에는 세포 내의 특정 구조를 형광(fluorescence) 으로 표지할 수 있게 됐다.
각 물질과 빛의 상호작용을 결정하는 근본적인 특성인 굴절률(refractive index)을 이용해 아무런 염색을 하지 않아도 되는 현미경 기술도 꾸준히 발전해왔다. 굴절률로부터 파생되는 빛의 흡수, 위상차 등을 이용한 전통적인 현미경과 더불어 최근에는 굴절률 자체를 3차원 상에서 정량적으로 측정하는 홀로그래픽 현미경(holographic microscopy) 기술이 박 교수 연구팀에서 개발돼 상용화된 바 있다.
이러한 비표지(label-free) 현미경 기술은 형광 현미경과 비교해 여러 가지 장점을 갖고 있지만 굴절률과 세포 내 구조들의 관계가 명확하지 않아 분자 특이성이 떨어진다는 단점이 있었다.
이에 2012년 초부터 박 교수 연구팀의 조영주 카이스트 졸업생(제1 저자, 스탠퍼드대학교 응용물리학과 박사과정) 주도로 홀로그래픽 현미경 분야에 인공지능을 도입해 특이성 문제를 해결하기 위한 연구가 진행됐다.
박 교수 연구팀은 이번 연구를 통해 형태적으로는 비슷하나 생화학적인 구성에 차이가 있는 시료(여러 종의 박테리아, 다양한 분류의 백혈구 등)의 굴절률 영상은 사람 눈에는 비슷하게 보이는데 인공지능은 이를 높은 정확도로 분류할 수 있음을 확인했다. 이를 토대로 생화학적 특이성이 높은 정보가 굴절률의 공간 분포에 숨겨져 있다는 가설을 세웠다.
박 교수 연구팀은 논문을 통해 홀로그래픽 현미경 영상으로부터 형광 현미경 영상을 직접 예측할 수 있음을 보임으로써 이 가설을 증명했다. 인공지능이 찾아낸 굴절률 공간 분포와 세포 내 주요 구조 간의 정량적인 관계를 이용해 굴절률의 공간 분포 해독이 가능해졌고 이러한 관계는 세포 종류와 관계없이 보존돼 있음을 확인했다.
이 과정에서 만들어진 AI 현미경은 홀로그래픽 현미경과 형광 현미경의 장점만을 갖는 것이 특징이다. 형광 표지 없이 형광 현미경의 특이적인 영상을 얻을 수 있으며 자연 상태 그대로의 세포에서 동시에 수많은 종류의 구조를 3차원으로 볼 수 있다.
밀리초(ms) 수준의 초고속 측정과 수십 일 수준의 장기간 측정도 가능해졌다. 기존 데이터에 포함되지 않은 새로운 종류의 세포에도 즉시 적용이 가능해 다양한 생물학, 의학 연구에 응용이 가능할 것으로 예상된다.
조성우 기자 good_sw@chosunbiz.com