퀸즐랜드 대학교, CMM: 현미경 및 미세분석 센터

극저온 전자현미경은 백신 개발을 지원합니다.

호주 8대 연방대학교 중 하나인 퀸즐랜드 대학교는 연구 중심 대학으로 잘 알려져 있으며, 생명공학 및 나노기술 분야에서 뛰어난 성과를 거두고 있습니다. 현미경 및 미세분석 센터(CMM)는 이러한 최첨단 연구를 지원하는 연구 인프라 센터입니다.

2025년 7월, 퀸즐랜드 대학교에서 개발한 "분자 클램프 기술"(*1)이 센세이션을 일으켰습니다. 이 기술의 라이선스는 런던에 본사를 둔 비상장 바이오 기업인 영국의 바이스바이오(Vicebio)에 부여되었고, 바이스바이오는 프랑스의 유력 제약 회사인 사노피(Sanofi SA)에 인수될 예정이었습니다. 초기 인수 금액은 총 11억 5천만 달러에 달했습니다. 이 거래는 호주 대학의 지적 재산권을 상용화하는 기업과 관련된 거래 중 최대 규모였습니다.

참조 : 퀸즐랜드 대학교의 10억 달러 규모 계약으로 백신 기술이 세계로 진출합니다

분자 클램프 기술은 백신 생산에 있어 최대한 신속하게 대응할 수 있도록 해주며, 미래의 새로운 팬데믹과 기타 바이러스 감염에 대한 대비책을 제공할 것입니다. 이러한 연구에서 CMM과 극저온 전자 현미경(cryo EM)은 어떤 역할을 했을까요? CMM 책임자인 로저 웨프 교수를 만나 센터의 역할과 향후 계획에 대해 이야기를 들어보았습니다.

*1 코로나바이러스와 인플루엔자 바이러스는 표면의 스파이크 단백질을 통해 숙주를 감염시킵니다. 이 스파이크 단백질은 불안정하며 수용체 결합과 같은 자극을 받으면 구조적 변화(융합 후 형태)를 겪습니다. 바이러스 감염을 막기 위해서는 융합 후 형태보다는 융합 전 형태를 기반으로 한 백신이 더 효과적입니다.
분자 클램프 기술은 스파이크 단백질을 융합 전 상태로 안정화시키는 방법입니다. 예를 들어, 코로나19를 유발하는 바이러스인 SARS-CoV-2의 스파이크 단백질은 개발된 분자 클램프(폴리펩타이드)에 의해 세 개의 스파이크 단백질이 결합된 삼량체를 형성함으로써 안정적으로 유지될 수 있습니다.

Q: 분자 클램프 기술 연구 과정에서 CMM과 극저온 전자현미경은 어떤 기여를 했습니까?

A: 우선, CMM이 분자 클램프 연구를 주도한 것은 아니라는 점을 분명히 말씀드리고 싶습니다.
저희는 폴 영 명예교수, 다니엘 와터슨 교수, 그리고 키스 채플 교수로 구성된 팀을 지원했습니다.

참조 : 퀸즐랜드대학교 백신 기술 기업, 10억 달러 규모 계약 체결

그렇다면 우리는 어떻게 그들을 지원했을까요? 그들이 집중적으로 연구하던 스파이크 단백질은 표면 구조가 변했는데, 극저온 투과 전자 현미경(CryoTEM) 단일 입자 이미징을 통해 스파이크 단백질의 다양한 구조를 관찰할 수 있었습니다.
이 클램프는 이름에서 알 수 있듯이 세 개의 스파이크 단백질을 고정하여 SARS 및 기타 바이러스 표면에서 흔히 볼 수 있는 안정적인 삼량체 형태로 만드는 역할을 합니다. 이렇게 삼량체 형태를 취함으로써 스파이크 단백질의 견고한 구조를 안정화할 수 있습니다. 마치 부품을 고정하는 지그(클램프)와 같은 원리입니다. 이 삼량체가 면역 단백질 형태로 체내에 들어가면, 신체는 마치 바이러스에 감염된 것처럼 면역 반응을 일으켜 항체를 생성합니다.

저희는 2019/20년에 전철의 극저온 투과전자현미경(cryo TEM) "CRYO ARM™ 300"을 구매했습니다. 거의 같은 시기에 "CRYO ARM™ 200"도 구매했죠. 2020년이 떠오르시나요? 네, 맞습니다. 코로나19 팬데믹이 발생했고, 마침 백신 개발팀은 새로운 극저온 투과전자현미경을 설치한 직후 구조 결정 연구에 착수할 수 있었습니다. 따라서 이 극저온 투과전자현미경은 클램프 기술 개발팀에게 강력한 도구가 되었고, 초기 SARS-CoV-2 백신 개발 연구와 현재의 클램프 기술 개발을 뒷받침했습니다.

질문: CMM에 대해 다시 한번 설명해 주시겠습니까? CMM은 어떤 역할을 하며 어떤 시설에서 사용되고 있습니까?

A: CMM은 매우 큰 규모의 연구 협력 플랫폼입니다. 저희는 이를 CRP(협력 연구 플랫폼)라고 부르며, 인공 및 천연 재료에 대한 최첨단 전자, 질량 분석 및 X선 특성 분석 및 이미징 기능에 중점을 두고 있습니다. 기본적으로 공학, 재료 과학, 생명 과학, 생물학, 양자 물리학, 소자 및 고분자 복합 재료 등 대학의 모든 실험 연구 분야를 지원합니다. 저희는 연간 약 750명의 사용자가 참여하는 700~800개의 프로젝트를 지원하고 있습니다.

일반 광학 현미경과는 달리, 대부분의 첨단 현미경은 작동에 높은 수준의 전문 지식을 요구합니다. CMM은 우수한 직원과 팀을 통해 사용자들이 이러한 장비를 쉽게 이용하고 활용할 수 있도록 지원합니다. 사용자들이 탁월한 성과를 거두고 연구를 성공적으로 수행할 수 있도록 돕는 것이 CMM의 역할입니다. 이러한 첨단 기술에 대한 접근성을 민주화하는 것이 CMM의 목표입니다.

질문: 센터장으로서 특별히 염두에 두고 있는 점이 있습니까?

A: 저는 언제나 다양한 도구를 누구나 이용할 수 있도록 하는 것을 목표로 합니다. 이를 위해서는 직원들의 전문성이 필수적이며, CMM 팀원들은 극저온 투과전자현미경(cryo-TEM)을 비롯한 모든 장비를 최대한 쉽게 활용할 수 있도록 협력하고 있습니다.

우리는 연구자들이 어떤 장비를 사용하고 싶어할지 미리 계획하고, 교체 및 업그레이드 계획을 수립하는 등 미래를 내다봐야 합니다. 몇 년마다 최신 모델로 장비를 업데이트하고 싶지만 항상 가능한 것은 아니므로, 효율적인 업그레이드를 통해 장비의 수명을 연장하거나 독창적인 새로운 기능을 추가할 수 있습니다. 이를 위해 연구 자금을 확보하고 플랫폼을 갱신할 수 있는 훌륭한 아이디어를 지속적으로 개발해야 합니다. 저는 이러한 과정을 기술 발굴 및 지역 연구 개발이라고 부르는데, 제 업무에서 가장 흥미로운 부분입니다.

현재 저희는 기존 현미경 센터에서 제공하지 못하는 새로운 기능을 구현할 수 있는지 검토하고 있습니다. 구체적으로는 "극저온 통합" 워크플로우를 연구 중입니다. 이 워크플로우는 극저온 주사전자현미경(cryo SEM), 극저온 투과전자현미경(cryo TEM)뿐만 아니라 광학현미경, 이미징 질량분석기 등 다양한 분석 방법을 자동화 수준을 높여 연속적인 워크플로우로 통합하는 것을 목표로 합니다. CMM에서 제 주요 역할 중 하나는 이러한 아이디어를 현실로 구현하는 것이라고 생각합니다.

일반적으로 시료를 한 기기에서 다른 기기로 옮기는 것은 어렵습니다. 우리의 목표는 시료를 종합적인 관점에서 이해하는 것입니다. 즉, 다양한 규모에서 시료를 조사하고, 여러 가지 화학 정보와 다양한 종류의 분광 데이터를 활용하여 시료를 이해하는 것입니다.

구체적으로 말하자면, 저온 전송 시스템과 다양한 스케일에서 시료의 동일한 영역을 식별할 수 있는 시스템을 연구 프로젝트와 함께 개발해야 합니다. 우리가 구축하고자 하는 것은 다양한 특성 분석 방식과 장비를 아우르는 이미징 파이프라인입니다.
단순히 저희가 그렇게 하고 싶어서가 아닙니다. 실제로, 이렇게 하면 시료의 손상을 최소화하면서(인공물 발생을 줄이면서) 다양한 연구 프로젝트를 진행하는 연구원들에게 더욱 빠르고 정확한 측정 결과를 제공할 수 있습니다.

AIBN: 호주 생명공학 및 나노기술 연구소
이 시설에는 CMM과 같은 최첨단 시설과 우수한 연구 센터가 통합되어 있습니다.

질문: 전올사의 극저온 투과전자현미경(cryo TEM)을 도입하기로 결정하신 이유를 말씀해 주십시오.

에이: 이전에는 다른 제조사의 극저온 투과전자현미경(cryo TEM)을 사용했었는데, 시료 주입이나 시료 관리 등 모든 과정을 수작업으로 해야 했습니다. 이번 구매 시에는 두 제조사를 고려했고, 각 제조사의 연구실을 직접 방문하여 저희가 보유한 시료로 장비를 테스트해 보았습니다.

저는 박사 과정 때 냉전계방출 전자총을 사용하는 SEM과 STEM을 연구했기 때문에, 이러한 전자총이 더 높은 해상도, 결맞음성, 그리고 우수한 위상차 전송을 제공한다는 것을 알고 있었습니다(*2). 특히 JEOL의 냉전계방출 TEM의 작동 원리에 대해 매우 관심이 많았습니다. 그래서 도쿄를 비롯한 여러 곳에서 장비를 테스트하고, JEOL의 경쟁사 장비도 함께 검토했습니다. 그 결과, JEOL 장비가 훨씬 우수한 신호 대 잡음비(S/N)와 고해상도 이미지를 얻을 수 있다는 것을 확인할 수 있었습니다.

*2 위상차 전달 함수:
전자파의 위상 변화는 일반적으로 투과전자현미경(TEM) 이미지에서 관찰(검출)할 수 없습니다. 위상 변화를 진폭 변화로 변환하면 TEM 이미지에서 위상 변화를 관찰할 수 있습니다. 회절파의 위상 변화로부터 변환된 진폭이 TEM 이미지에 어느 정도 기여(전달)하는지를 나타내는 함수를 위상 대비 전달 함수라고 합니다.

또한, JEOL 제품에는 컬럼에 오메가 필터(*3)가 내장되어 있습니다. 미세 시료를 다룰 때, 때때로 소위 제로 손실 필터링(*4)이 필요할 수 있습니다. 이 필터는 전자 광학 시스템에 통합되어 있습니다. 따라서 타사의 추가 에너지 필터를 설치하여 별도의 계산이나 조작 없이도 필요에 따라 제로 손실 필터링과 에너지 필터링 이미지를 손쉽게 수행할 수 있습니다.

*3 오메가 필터: 투과 전자 현미경의 중간 렌즈와 투영 렌즈 사이에 설치되는 컬럼형 에너지 필터입니다. 주로 필터링된 이미지(제로 손실 이미지), 제로 손실 CBED 패턴 및 에너지 손실 이미지를 얻는 데 사용됩니다.

*4 제로 손실 필터링: 시료를 통과할 때 특정 에너지량을 잃은 전자를 선택하거나 제거하는 기술입니다. 이는 이미지 대비를 개선하고 원소 분석을 가능하게 하는 데 사용됩니다.

JEOL 기기는 크라이오 포트에 최대 12개의 샘플을 넣을 수 있고, 한 번에 1~4개의 샘플을 교체할 수 있습니다. 반면 경쟁사 제품은 카트리지 전체를 교체해야 하므로 12개의 샘플을 모두 꺼내야 합니다. 이러한 주요 이유와 기타 여러 이유로 JEOL 제품을 선택했습니다.

Q: 코로나10 팬데믹으로 인해 여행 금지 및 교통망 폐쇄와 같은 어려운 상황을 겪으셨을 것 같은데, 전올로부터 어떤 지원을 받으셨나요?

A: 극저온 투과전자현미경(cryo TEM) 도입은 순조롭게 진행되었습니다. 다행히 코로나19가 국내에 유입되기 직전에 장비가 배송되어 설치가 시작되었습니다. 물론 문제가 전혀 없었던 것은 아닙니다. 이러한 장비는 조정 등에서 항상 여러 가지 문제를 일으킬 수 있다는 것을 잘 알고 있습니다. 하지만 저희는 연구에 전념할 수 있었고, 분자 클램프 개발에 기여할 수 있었습니다. 솔직히 말해서, 전올의 지원은 매우 훌륭했고, 덕분에 프로젝트를 시작할 수 있었습니다.

질문: 향후 5~10년 동안 극저온 전자현미경(cryo EM)은 어떻게 발전할 것이라고 생각하십니까?

A: 한 가지는 다룰 수 있는 생체 분자의 크기입니다. 극저온 전자 현미경과 단일 입자 분석법의 조합은 이제 구조 결정을 위한 새로운 표준이 되었습니다. 더욱이, 40,000Da(*5) 이하의 분자가 연구 대상이 될 것입니다. 시간 문제일 뿐이라고 생각합니다.

전자총이 들어 있는 컬럼을 더욱 안정화하고, 카메라 해상도를 높이고, 처리 속도를 개선하는 등의 노력을 통해 20,000 Da의 밀도를 달성할 수 있을 것으로 예상됩니다. 여기에 고정밀 고니오미터를 더하면 극저온 투과 전자 현미경 단층 촬영(cryo TEM Tomography) 및 미세 전자 현미경(MicroED) 분석에도 도움이 될 것입니다.

*5 Da (달톤): 탄소-12 원자 질량의 1/12(1/12)을 1 단위로 하는 질량 단위.

또 다른 중요한 점은 저온 전계 방출 전자총을 기반으로 하는 차세대 극저온 투과 전자 현미경(cryo TEM)의 개발입니다. 이 모델은 80kV에서 120kV 사이의 비교적 낮은 가속 전압, 고속 검출기, 자동 로더를 갖추고 있습니다. 이는 극저온 전자 현미경 분야 노벨 화학상 수상자인 리처드 헨더슨이 "민주화된" 극저온 투과 전자 현미경이라고 부르는 것입니다. 더 많은 사람들이 사용할 수 있는 저렴한 극저온 투과 전자 현미경으로, 그가 오랫동안 개발하고자 했던 바로 그런 형태입니다.

*참조: 노벨 화학상 2017

어쨌든, 이처럼 복잡하고 심층적인 기술 장비의 발전을 위해서는 기업이 전 세계 연구진과 함께 차세대 우수 제품을 적극적으로 개발하는 것이 필수적이라고 생각하며, 저는 전올이 바로 그런 역할을 잘 수행하고 있다고 믿습니다.

프로필

로저 앨버트 웨프 교수
퀸즐랜드 대학교 현미경 및 미세분석 센터(CMM) 소장 겸 교수

프랑스 스트라스부르에서 태어났습니다.
로저는 1992년 스위스 연방 공과대학(ETH)에서 세포 생물학 및 구조 연구 학위를 받았습니다. 박사후 연구를 마친 후, 하이델베르크에 있는 유럽 분자 생물학 연구소(EMBL)의 막스 하이더 연구 그룹에서 물리 계측 프로그램에 합류하여 극저온 전자 현미경 기술 개발에 참여했습니다. 이후 함부르크의 한 민간 기업에서 분석 현미경 부서 책임자로 근무했습니다.
2006년에는 취리히 연방 공과대학교(ETH Zurich) 전자현미경 센터 소장이 되었고, 2014년에는 광학 및 전자현미경 센터(ScopeM)의 기술 책임자로 임명되었습니다. 그는 2012년부터 2016년까지 유럽 현미경 학회 회장을 역임했습니다.

이 인터뷰는 2025년 11월에 진행되었습니다. 로저 웨프 교수는 2026년 6월 4일에 별세하셨습니다. 그의 친절함과 아낌없는 지원, 그리고 인터뷰를 통해 귀중한 통찰력을 나눠주신 데 깊이 감사드립니다. 유가족, 친구, 동료분들께 진심으로 애도를 표하며, 그를 깊은 존경과 감사의 마음으로 기억하겠습니다. 부디 평안히 영면하시기를 바랍니다.

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