미국 캘리포니아 대학(University of California, Los Angeles)의 연구진은 세포의 지질 막 속에 직접 삽입될 수 있는 나노 센서를 개발했고, 이것을 사용해서 세포막 전위를 측정했다. 이 장치는 무기 반도체 나노입자를 기반으로 만들어졌고, 향후에 단일 뉴런과 같은 나노 수준의 전기적 신호와 다중 뉴런의 활동 전위를 기록할 수 있을 것이다.

무기 콜로이드 합성에 대한 최근 발전으로 인해서 크기, 모양, 조성이 정밀하게 제어된 기능성 반도체 나노입자를 만들 수 있게 되었다. 이러한 나노입자는 광전자 공학, 생물학적 이미징, 감지, 촉매 작용, 에너지 수확과 같은 다양한 분야에 매우 유용하게 적용될 수 있다.

이러한 나노물질은 생물학적 세포와 결합하여 생물학적으로 우수한 성능을 가진 하이브리드 나노물질을 만들 수 있다. 그러나 지금까지 이러한 나노입자를 세포막에 주입하는 것은 어려운 일이었다. 나노입자는 너무 커서 세포막에 비특이적 결합을 발생시킬 수 있었다. 또한 나노입자를 멤브레인 이중층 속에 삽입하는 방향이 적절해야 하기 때문에 더욱 복잡했다.

이번 연구진은 나노입자에 세포막 단백질과 같은 성질을 가지게 한다면 지질 이중층에 삽입하기가 더 쉬울 것이라고 생각했다. 그래서 막대 모양의 나노입자를 만들었고, 이 입자를 이용해서 세포막 전위를 측정하는데 성공했다. 나노막대는 세포막 표면에 수직 방향으로 삽입되었다. 이것은 세포막 표면에 평행하게 삽입하면 세포막 전위를 감지할 수 없기 때문에 중요하다.

투과 전자 현미경으로 나노막대가 올바른 방향으로 세포막에 삽입되었다는 것을 확인했다. 이러한 나노막대는 단일 입자 감도를 가진 양자-가둠 스타크 효과(quantum-confined Stark effect) 때문에 세포막 전위를 측정할 수 있었다.

이 나노센서를 한층 더 발전시킬 수 있다면 다중 뉴런의 활동 전위를 기록할 수 있고 하나의 시냅스의 전기 신호를 기록하는데도 적용할 수 있을 것이다. 이 연구결과는 저널 Science Advances에 “Membrane insertion of—and membrane potential sensing by—semiconductor voltage nanosensors: Feasibility demonstration” 라는 제목으로 게재되었다(DOI: 10.1126/sciadv.1601453).