더 선명하게, 나노입자의 표정까지 분석하는 알고리즘-100억 분의 1m 수준 세밀한 ‘눈’ 으로 입자 관찰하는 알고리즘 개발

더 선명하게, 나노입자의 표정까지 분석하는 알고리즘-100억 분의 1m 수준 세밀한 ‘눈’ 으로 입자 관찰하는 알고리즘 개발

 

보도일 2021-01-31 00:00 연구단명나노입자 연구단

 

 

더 선명하게, 나노입자의 표정까지 분석하는 알고리즘
- 100억 분의 1m 수준 세밀한 ‘눈’으로 입자 관찰하는 알고리즘 개발 -
- 신종 바이러스의 3차원 구조 분석, 반도체 소자 성능 개선 등에 활용 기대 -

반도체 소자의 성능 개선, 바이러스 구조 분석을 통한 치료제 개발 등을 위해서는 나노미터(nm) 크기 원자 하나하나의 구조를 면밀히 파악할 수 있는 ‘눈’이 필요하다. 이 ‘눈’의 성능을 대폭 개선할 새로운 알고리즘이 개발됐다.
기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 나노입자 연구단 박정원 연구위원(서울대 화학생물공학부 교수) 연구팀은 호주 모나쉬대, 미국 로렌스버클리국립연구소(LBNL)와의 공동연구를 통해 나노입자의 3차원 구조를 원자 수준에서 분석할 수 있는 알고리즘 ‘3D싱글(3D SINGLE) 3D SINGLE: three-dimensional(3D) Structure Identification of Nanocrystals by Graphene Liquid cell EM(electron microscopy)
’을 개발했다.
소재의 물성은 재료를 구성하는 미세한 원자 위치 변화에도 민감하게 반응하다. 촉매 활성이 바뀌고, 디스플레이의 색 순도가 달라지는 식이다. 이 때문에 고성능 소재 개발을 위해서는 재료의 3차원 구조를 원자 수준에서 분석할 수 있는 기술이 필요하다.
게다가 코로나바이러스감염증-19(이하 코로나19) 팬데믹과 같이 미증유의 바이러스가 등장한 상황에서는 분석기술의 중요성이 더 커진다. 바이러스의 3차원 구조를 원자 수준에서 정확하고 빠르게 파악해야 진단기술 및 치료제 개발 시 타깃할 부위를 찾아낼 수 있기 때문이다.
초저온전자현미경(Cryo-EM) 등 분석기술의 발전으로 나노입자의 3차원 구조를 파악할 수 있게 됐지만, 기존 기술은 동결된 시료에서 얻은 이미지만을 처리할 수 있다는 한계가 있었다. 동결 과정에서 단백질 및 재료의 구조변화가 생길 수 있다는 의미다. 또한 기존 기술은 동일한 구조를 갖는 다량의 입자를 한 번에 동결시켜 여러 각도의 사진을 얻고, 이 데이터를 처리해 입자 하나의 3D 이미지를 얻는 방식이었다.
제1저자인 허준영 연구원은 “단체 사진을 촬영해도 저마다 표정이 다르듯, 같은 나노입자라도 원자 배열에서 미세한 차이가 있을 수 있다”며 “여러 입자를 합성해 하나의 입자로 재구성하는 것보다, 하나의 원자를 추적 관찰하는 것이 나노입자의 ‘표정’까지도 정확히 파악해낼 수 있는 기술”이라고 설명했다.
연구진은 2020년 액상 투과전자현미경(liquid cell TEM)을 이용해 나노입자의 전체적 형상을 넘어 원자 배열까지도 입체적으로 관찰할 수 있는 기술을 세계 최초로 개발한 바 있다(‘20.04, Science). 이번 연구에서는 자체 개발한 ’3D 싱글‘ 알고리즘을 액상 투과전자현미경에 접목해 관찰 성능을 대폭 높였다.
나노입자는 그래핀 기반 특수 용기(액체 셀)에 담겨 분석에 활용된다. 이 때문에 관찰하려는 나노입자 외에도 용기로 사용되는 그래핀과 액체까지도 함께 포착된다는 문제가 있었다. 이에 따라 연구진은 그래핀과 액체에서 비롯한 노이즈를 스스로 제거하고, 관찰하려는 원자만 최대 1.5배 더 뚜렷하게 관찰할 수 있도록 알고리즘을 개선했다. 또한 용액 내에서 자유롭게 회전하는 나노입자를 추적하는 효율을 개선하여 기존보다 10배가량 빠른 속도로 3차원 구조를 파악할 수 있게 됐다. 그 결과, 지난 연구에서는 관찰이 어려웠던 크기 2nm 미만의 극미세 입자까지도 추적할 수 있었다.
박정원 연구위원은 “코로나19 바이러스의 변이처럼 기존과 다른 미세한 구조변화까지도 포착하여 분석해 내는 것이 가능할 것”이라며 “향후 촉매·디스플레이‧신약 개발 등 광범위한 분야에서 소자의 성능개선 및 신물질의 설계‧합성에 기여할 것”이라고 말했다.
이번 연구는 기초과학연구원(IBS) 및 삼성미래기술육성재단, 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다. 연구결과는 재료분야 세계적 권위지인 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances, IF 13.116)’ 1월 30일(한국시간)자에 실렸다.

[붙임] 1. 연구 추가 설명 2. 그림설명 3. 연구진 이력사항

연 구 추 가 설 명

논문명
(저널)
SINGLE: Atomic-resolution structure identification of nanocrystals by graphene liquid cell EM
(Science Advances)
저자정보
Cyril F. Reboul*, Junyoung Heo*, Chiara Machello, Simon Kiesewetter, Byung Hyo Kim, Sungin Kim, Dominika Elmlund, Peter Ercius, Jungwon Park†, and Hans Elmlund†
연구이야기

[연구배경] 물질의 구조와 물성은 매우 밀접한 관련이 있다. 가령, 금 나노입자의 경우 표면 원자들의 위치가 조금씩 변해도 촉매 성질이 크게 차이난다는 보고가 있다. 디스플레이의 경우 나노입자의 원자 배열에 따라 색 순도가 바뀐다. 이처럼 원하는 물성을 갖춘 나노소재를 설계하고 합성하는데 있어 나노입자의 정밀한 구조를 파악하는 것은 매우 중요하다. 정밀 구조 파악에 사용되는 초저온전자현미경(cryo-EM) 기법 및 3차원 재구성 알고리즘은 단백질의 구조를 파악하는데 최적화되어 있다. 따라서 나노재료의 3차원 구조를 분석할 수 있는 새로운 기술의 개발이 필요하다.

[연구내용] IBS 나노입자 연구단은 지난해 투과전자현미경을 이용해 개별 나노입자의 3차원 구조를 분석할 수 있는 기술을 개발했다. 당시, 우리 연구진은 시료와 외부 간 물질 교환이 차단되도록 밀봉하는 특수용기인 ‘그래핀 액체 셀’을 자체 개발했다. 하지만 당시 기술은 관찰하려는 입자 외에도 용기로 사용된 그래핀과 용액까지 함께 포착된다는 한계가 있었다. 후속 연구로 진행된 이번 연구에서는 새로운 알고리즘(3D 싱글)의 개발로 이 한계를 넘어섰다.
3D 싱글은 그래핀 액체 셀 안에서 회전하는 나노입자 3차원 구조를 효과적으로 얻어낼 수 있는 알고리즘으로 세부 내용은 다음과 같다.
(1) 시간에 따라 움직이는 나노재료의 위치를 자동 추적
(2) 푸리에 필터링을 이용한 그래핀 노이즈 제거
(3) 초점에서 벗어난 이미지 자동 탐지 및 제거
(4) 단백질과 다른 전략이 차용된 3차원 구조 조립 알고리즘

[향후 연구계획] 연구진은 3D SINGLE 프로그램이 다양한 나노입자의 원자 구조를 분석하고, 이를 통해 나노재료의 물리적‧화학적 성질의 구조적 기원을 밝히고 성능을 향상시키는 것이 가능할 것으로 기대하고 있다. 이를 통해 촉매, 디스플레이, 신약 개발 등 광범위한 분야에서 나노재료의 설계 및 합성에 중요한 단서를 제시할 수 있을 것으로 예상하고 있다. 또한 나노재료 뿐만 아니라 바이러스, 단백질의 정밀 구조분석에도 활용이 가능할 것으로 예상하고 있다.

그 림 설 명

[그림1] 3D 싱글 알고리즘을 활용해 얻은 백금 나노입자의 3차원 구조
연구진은 나노재료의 3차원 구조를 얻는데 최적화된 알고리즘인 ‘3D 싱글’을 개발하여 이를 백금 나노입자 관찰에 적용했다. 시험 대상이 된 백금 나노입자는 이전의 기술로는 분석이 어려웠던 입자로, 연구팀에서 개발한 알고리즘의 효율성을 확인할 수 있다.

[그림2] 나노재료의 구조분석을 위해 이용된 주요 컴퓨터 공학 기법들
연구진은 나노재료의 성공적인 3차원 구조분석을 위해 다양한 컴퓨터 공학 기법들을 이용했다. 시간에 따라 나노재료가 액체 안에서 움직이기 때문에 움직이는 나노재료를 자동으로 추적하기 위해 Total Variation(TV) filter를 이용하였다. 또한 그래핀 노이즈를 탐지하고 제거하기 위해 푸리에 필터링(Fourier Filtration)이 활용됐다.

[그림3] 알고리즘의 핵심 기술 및 이를 활용한 나노재료 3차원 구조 분석 순서도
연구진이 개발한 3차원 구조 분석 알고리듬 및 관련 기술은 나노입자 분석 뿐 만 아니라 바이러스 구조, 단백질 구조 분석에도 폭넓게 활용이 가능하여 관련 분야의 기초과학적 연구 뿐 만 아니라 신약개발 등에도 활용될 수 있다.

연구진 이력사항

<박정원 IBS 나노입자 연구단 연구위원, 공동 교신저자>

1. 인적사항
○ 소 속 : 기초과학연구원(IBS) 나노입자 연구단 연구위원
서울대학교 화학생물공학부 부교수

 

 

2. 경력사항
○ 2019 - 현재, 서울대학교 공과대학 화학생물공학부, 부교수
○ 2016 – 2019, 서울대학교 공과대학 화학생물공학부, 조교수
○ 2015 - 2016, Harvard University, School of Engineering and Applied Sciences, Research Associate
○ 2012 - 2015, Harvard University, School of Engineering and Applied Sciences, 박사후연구원

3. 전문 분야 정보
○ 2020, 젊은과학자상(대통령상)
○ 2020, 한성 과학상(한성 손재한 장학회)
<허준영 IBS 나노입자 연구단 연구원, 공동 제1저자>

1. 인적사항
○ 소 속 : 서울대학교 화학생물공학부
기초과학연구원(IBS) 나노입자 연구단