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생물학자들은 세포를 관찰할 때 보통 염색을 한다. 세포가 투명해서 눈에 잘 안 보이기 때문이다. 염색을 하면 세포는 오래지 않아 죽어버린다. 살아있는 세포를 죽이지 않고 그대로 관찰할 방법은 없을까. 이런 질문에서 3차원(3D) 현미경 ‘토모큐브’가 탄생했다. 토모큐브는 현미경 분야를 완전히 뒤바꿀 준비를 하고 있다.

 

세포는 대부분이 물이라서 투명하게 보인다. 그래서 세포를 형광물질로 염색하거나, 일부 단백질을 변형해 색을 띠게 만든 뒤 현미경으로 관찰한다. 현미경 관찰은 세포의 특성을 비롯한 생물학적 발견으로 이어졌고, 바이러스와 백신 연구에 큰 기여를 했다. 과거 치료하지 못했던 수많은 질병을 치료하는 데 도움을 줬고 분자생물학의 문을 열었다. 하지만 어느 순간부터 과거에 만들어진 도구는 첨단 과학 연구의 발목을 잡게 됐다. 세포치료제, 오가노이드, 줄기세포와 같이 살아있는 세포의 3차원 형태를 정밀하게 관찰해야 하는 새로운 연구 분야에서는 기존 염색 방식의 현미경을 쓰기 어렵기 때문이다. 과학이 발전한 만큼 새로운 도구의 등장이 절실했다. 

 

 

암을 치료할 때 과거에는 주로 항암제를 사용했다. 현재는 면역세포를 증강시킨 뒤 사람 몸에 넣는 세포치료 연구가 활발하다. 그런데 딜레마가 있다. 면역세포를 정확히 관찰하려면 염색해야 하지만, 정작 염색을 하면 면역세포가 죽어 세포치료에 사용할 수 없다.   

박용근 KAIST 물리학과 교수(토모큐브 최고기술책임자(CTO))도 이 문제에 천착했다. 그는 2010년 박사학위를 받을 무렵 이 질문을 처음 가슴에 품었다. 서울대 기계공학과를 졸업하고 미국에서 ‘하버드-매사추세츠공대(MIT) 보건 및 기술 프로그램’에 참여할 때였다. 이때 의료 현장에 나가 그곳에서 필요한 공학 기술 등을 배웠다. “3~4학년 때 병원으로 파견을 가요. 대학병원 전공의들을 따라다니며 그들이 진료를 볼 때 불편한 점을 많이 들었습니다. 의료진의 진료 환경 수준을 높이는 도구를 개발하면 좋겠다고 생각했죠.”  

의료 현장에서 얻은 아이디어는 훗날 ‘살아있는 세포를 관찰하는 현미경’ 개발의 초석이 됐다. 그렇게 박 교수는 2015년 스타트업 토모큐브를 창업하고, 2017년 토모큐브 현미경을 상품화해 출시했다. 그의 예상대로 이 현미경은 실제로 많은 생명과학 연구에 도움이 되고 있다. 

박 교수는 “토모큐브 현미경은 연구자들이 살아있는 세포를 3D 형태로 볼 수 있게 하고, 정량적인 숫자로 자체 분석까지 가능해 연구자들의 판단을 돕는다”고 말했다. 이수민 토모큐브 사이언스팀장은 “누가 찍어도 고해상도로, 같은 모습으로 촬영할 수 있기에 실험하는 학생들이나 초보 연구자들에게도 도움된다”고 설명했다. 

 

 

우리는 병이 있는지 확인할 때 병원에서 컴퓨터 단층촬영(CT)을 하곤 한다. CT는 다양한 각도에서 엑스레이 2차원 이미지를 찍은 뒤 컴퓨터로 합성해 3차원 이미지를 만든다. 토모큐브 현미경도 비슷하다. 엑스레이 대신 레이저를, 사람 몸 대신 세포를 보는 점이 다를 뿐이다. 박 교수는 “두 기술이 달라 보여도 물리적으로 같은 방정식을 쓴다”고 설명했다. 

홀로그래피 기술을 이용해 세포를 3D로 재구성하면, 기존의 세포 염색 등 전처리 과정을 거칠 필요가 없다. “홀로그래피 기술은 수십 년 전에 이론적으로 제안됐으나, 당시에는 이 기술을 이용할 분야가 없었죠. 제가 박사학위를 받을 때쯤 다시 이 기술이 수면 위로 올라왔고, 바이오 분야에 적용하면 큰 도움을 줄 수 있을 것으로 생각했습니다.”

토모큐브 현미경 덕에 새로운 관찰이 가능해졌다. 세포 소기관의 상변이가 대표적이다. 과거에는 소기관이 고정된 상태인 줄 알았는데, 수 년 전 외부 환경에 따라 일부 소기관은 유연하게 변한다는 사실이 밝혀졌다. 하지만 기존 현미경으로는 순간만 관찰할 수 있어 변화 과정을 관측하지 못했다. 

그런데 토모큐브 현미경으로 3D로 영상 촬영이 가능해지니 소기관이 시간의 흐름에 따라 변하는 과정을 촬영할 수 있게 됐다. 또 과거에는 한 달간의 변화를 살피기 위해 30개의 세포가 필요했다면, 이제는 하나의 세포를 살아있는 상태로 한 달 넘게 관찰하는 것도 가능하다. 

이렇게 측정한 영상은 마치 구글맵처럼 100 nm(나노미터·1nm는 10억분의 1m) 수준으로 확대할 수 있다. 여기에 머신러닝 기반의 인공지능(AI) 분석까지 가능하다. 가령 박테리아에 감염돼 응급실에 간 환자가 있을 때 어떤 박테리아에 감염된 것인지 확인하는 데 통상 3일의 시간이 걸렸는데, 이제 몇 분 만에 판독할 수 있게 된 것이다. 

“신약을 몸에 넣었을 때 세포 혈관벽, 지질 구조 등이 변하는 과정을 확인할 수 있기 때문에 약물치료 효과를 직접적으로 알 수 있죠. 또 과거에는 미토콘드리아 구조만 알 수 있었는데, 이제는 세포 내 물질이 움직이는 것부터 DNA가 세포분열 전에 뭉치는 과정까지 실시간으로 관찰할 수 있습니다.”

 

“10년 뒤에도 연구자가 현미경 보고 있을까요?”

 

토모큐브 현미경은 출시 초기 미국 하버드의대, MIT 등 교육기관에서 실험적으로 쓰였으나 이제는 전 세계 병원, 제약회사 등에서도 찾고 있다. 특히 올해 7월 나온 새 모델은 출시하자마자 스위스 취리히연방공대를 비롯해 여러 글로벌 제약기업에서도 구매 요청이 들어오고 있고, 계약이 체결되고 있다..  투자계 큰손들의 관심도 한껏 받고 있다. 2021년에는 212억 규모(시리즈 C)의 투자자금을 유치했다. 

2021년 기준 매출은 전년 대비 89% 상승했다. 2015년 설립 당시 10명 내외로 시작됐지만, 현재 50명이 근무하고 있다. 여기에는 전문경영인(CEO)을 비롯해 광학, 생물학, 공학, AI 등 다양한 분야의 전공자들이 포진해있어 독보적인 기술을 갖추는 데 일조하고 있다.

그럼에도 여전히 새로운 기술 개발에 박차를 가하고 있다. 박 교수는 “전 세계 연구자, 교수 등 누구나 연구 데이터를 볼 수 있게 클라우드 서버 시스템을 개발하고 있으며 진단용 장비도 국내 병원에서 실험 중”이라고 밝혔다. 

궁극적으로는 어떤 목표를 갖고 있을까. “10년 뒤에도 연구자들이 현미경을 보고 있을까요? 대부분이 무인화, 자동화될 거예요. 세포 배양, 측정, 분석이 큰 기계 속에서 자동으로 돌아가고, 사람들은 결과만 보고 분석할 겁니다. 그 시스템으로 가기 위한 준비라고 보면 됩니다. 기존의 현미경 산업을 근본적으로 바꿀 수 있을 것입니다.”

박 교수는 활발히 사업을 하고 있으나, 동시에 대학에서 강의와 연구를 하는 교수다. 대학에서 기계공학을, 대학원에서는 의과학 및 의공학을 전공했다. 그리고 생물학 기반의 도구를 개발하는 사업가다. 그런데 물리학과 교수라니. ‘그 물리학과에서는 무엇을 배우냐’는 질문에 박 교수는 과거 본인의 경험을 들며 고전적인 학문 분리보다는 융합 교육의 중요성을 말했다.

“병원에 파견됐을 때 공학 전공자여도 의사들이 하는 말을 알아들어야 했죠. 제가 궁금한 것을 그 사람들의 용어로 설명해야 하고요. 물리, 화학 등을 나누는 기준은 100년 전에 만들어진 건데, 지금 그게 중요하지 않습니다.”

여러 분야를 전공자만큼 두루 잘 알아야 경쟁력이 있다는 의미다. “요즘은 과학의 발전 속도가 빨라 과거 20년 동안 일어났던 변화가 지금은 5년이면 끝나요. 한 번 받은 학위로 10년을 활동할 수 있는 시대는 지났다는 겁니다.”

교육자와 사업가 두 가지 직업으로 살고 있는 그이지만, 단 한 번도 직업을 목표로 두고 연구하지 않았다고 한다. 흥미를 느끼고, 관심이 있는 분야에서 최선을 다하다 보면 인생의 목표가 아닌, 수단으로의 직업은 저절로 찾아온다는 게 그의 생각이다. 

“한국 학생들은 알려진 지식을 배우는 데에는 뛰어나요. 그런데 배운 것을 어떻게 쓸지는 생각하지 않습니다. 지금 배운 것을 활용하는 본인의 모습을 그려보면 힘든 공부 시간이 좀 더 의미 있게 다가오지 않을까요.”