동위원소 표지

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1. 개요
2. 동위원소 표지법의 원리
- 2.1. 안정 동위원소 표지법
- 2.2. 방사성 동위원소 표지법
3. 동위원소 표지법의 활용
참조

1. 개요

동위원소 표지법은 화학 반응 및 생화학적 과정에서 특정 원자의 이동 경로를 추적하기 위해 사용되는 기술이다. 이 기술은 관심 분자의 원자를 다른 동위원소로 대체하여 NMR, MS 등의 분석법을 통해 표지된 원자의 위치를 파악한다. 안정 동위원소 표지법과 방사성 동위원소 표지법으로 구분되며, 생화학, 단백질체학, 영양학, 환경 과학, 생태학, 해양학 등 다양한 분야에서 활용된다. 특히, 안정 동위원소 표지법을 활용한 대사 흐름 분석(MFA)은 세포 내 대사 경로 연구에 중요한 도구로 사용되며, 영양학 연구에서는 무기질의 흡수, 분포, 배설 등을 연구하는 데 활용된다.

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동위원소 표지
일반 정보
분야	화학, 생화학
하위 분야	분석 화학, 생물학적 분석
응용 분야	약물 발견 단백질체학 대사체학
기술적 측면
기술 유형	화학, 생화학
목표	원자 동위원소를 사용하여 반응 경로를 추적
관련 기술	질량 분석법 핵자기 공명 분광법

2. 동위원소 표지법의 원리

"동위원소 표지"(en: Isotope labeling)는 화학 및 생화학 분야에서 반응 경로를 추적하거나 분자 간의 상호작용을 이해하기 위해 사용하는 중요한 기술이다. 이 방법은 연구 대상이 되는 분자를 구성하는 원자 중 일부를 해당 원소의 다른 동위 원소로 치환하는 방식으로 이루어진다. 예를 들어, 방사성 추적자로 사용되는 방사성 동위 원소나 질량이 다른 안정 동위 원소를 사용할 수 있다.

표지에 사용된 동위원소는 원래의 원자와 양성자 수가 같기 때문에 화학적으로 거의 동일하게 행동하며, 연구하려는 반응 과정에 거의 영향을 미치지 않는다는 장점이 있다. 하지만 중성자 수가 다르기 때문에 질량이나 방사능 등 물리적 특성에서 차이가 나며, 이를 통해 원래의 원자와 구별하여 추적할 수 있다.

동위원소 표지를 통해 분자 내 특정 원자의 이동 경로를 추적하는 주요 분석 기술로는 핵 자기 공명(NMR) 분광법과 질량 분석법(MS)이 있다. 이 기술들은 동위원소의 질량 차이를 감지하여, 반응 후 생성된 물질에서 표지된 원자가 어느 위치에 있는지를 알아낼 수 있다. 이 정보를 바탕으로 초기 반응물이 어떤 경로를 거쳐 최종 생성물로 전환되었는지, 즉 반응 메커니즘을 규명할 수 있다. 만약 방사성 동위 원소를 사용했다면, 방사선을 감지하는 오토라디오그래피와 같은 방법을 이용하여 젤 전기 영동 상에서 표지된 화합물의 위치를 확인할 수도 있다.

동위원소 추적자는 크게 안정 동위 원소를 이용하는 방법과 방사성 동위 원소를 이용하는 방법으로 나눌 수 있다. 안정 동위원소는 방사능이 없어 안전하게 사용할 수 있으며, 주로 질량 차이를 이용하여 분석한다. 반면, 방사성 동위원소는 방사능을 방출하므로 이를 측정하여 추적한다.^[4] 실제 분석에서는 종종 특정 원소 내 두 동위원소 간의 비율 변화를 측정하는 방식을 사용하는데, 이는 전체 원소 양의 변화에 의한 영향을 줄이고 동위원소 존재비의 미세한 변화를 더 정확하게 파악하기 위함이다. 이러한 동위원소 추적 기법은 특히 복잡한 혼합 과정을 이해해야 하는 지질학 분야에서 매우 중요한 도구로 활용된다(동위 원소 지구 화학 참조).

2. 1. 안정 동위원소 표지법

안정 동위원소 표지법은 방사능이 없는 안정 동위 원소를 추적자로 사용하여 다양한 화학 및 생화학 시스템을 연구하는 방법이다. 이 방법으로 표지된 화합물은 핵 자기 공명(NMR)이나 질량 분석법(MS)을 통해 원래 화합물과 구별하여 추적할 수 있다. 가장 흔하게 사용되는 안정 동위원소로는 ²H(중수소), ¹³C, ¹⁵N 등이 있다. 이 동위원소들을 이용하여 중수소화 용매, 아미노산, 핵산, 지질, 특정 대사 산물, 세포 성장 배지 등을 만들 수 있다.^[6] 안정 동위원소로 표지된 화합물은 전체 분자 중 표지된 동위원소의 비율(예: 30% 균일하게 표지된 ¹³C 포도당)이나 특정 위치에 표지된 방식(예: 1번 탄소만 표지된 1-¹³C 포도당)으로 구분된다.

예를 들어, 오탄당 인산 경로와 같은 대사 경로 연구에서 안정 동위원소 표지법을 활용할 수 있다. 그림에서처럼 특정 위치(1번과 2번 탄소)에 ¹³C로 표지된 과당 6-인산(F6P)을 사용하면, 이 분자가 대사 과정을 거치면서 표지된 탄소 원자가 어떻게 재배열되는지 추적할 수 있다. 1,2-¹³C F6P는 두 개의 글리세르알데히드 3-인산(G3P)으로 분해되는데, 하나는 2번과 3번 탄소가 표지된 2,3-¹³C G3P가 되고 다른 하나는 표지되지 않은 G3P가 된다. 이 표지된 G3P는 다시 다른 분자(세도헵툴로스 7-인산, S7P)와 반응하여 새로운 표지 패턴을 가진 분자(5,6-¹³C F6P)와 표지되지 않은 분자(에리트로스 4-인산, E4P)를 만든다. 반면, 표지되지 않은 G3P는 S7P와 반응하여 표지되지 않은 생성물만 만든다.^[5] 이처럼 위치 특정 표지 화합물을 사용하면 복잡한 반응 네트워크 내에서 원자의 이동 경로를 밝힐 수 있다.

반응 경로에 따른 동위원소 표지 비율 변화 예시. 50% 표지된 대사물질과 50% 비표지된 대사물질이 그림과 같이 두 경로로 나뉘어 반응할 때 예상되는 결과물의 비율을 보여준다. 파란색 원은 표지된 원자, 흰색 원은 비표지된 원자를 나타낸다.

안정 동위원소 표지법은 대사 흐름 분석(Metabolic Flux Analysis, MFA)의 핵심 도구로 사용된다. MFA는 세포 내 대사 경로를 통해 특정 원소가 어떻게 이동하고 변환되는지를 정량적으로 분석하는 방법이다. 먼저, 세포에 동위원소로 표지된 영양분(공급원)을 공급하고 세포가 이를 이용하여 성장하도록 한다. 세포 내 대사가 정상 상태(시간이 지나도 동위원소 유입과 유출이 일정한 상태) 또는 준정상 상태에 도달하면, 세포에서 생성된 대사 산물들의 동위원소 표지 패턴을 분석한다.^[7] 이 패턴은 각 화학 반응을 통한 물질의 흐름(flux), 즉 반응물이 생성물로 전환되는 속도와 그 양을 계산하는 데 중요한 정보를 제공한다.^[8]

예를 들어, 그림과 같이 3개의 탄소 원자를 가진 대사물질이 있다고 가정하자. 이 물질이 반응을 통해 2개 탄소 물질과 1개 탄소 물질로 분해되었다가 다시 결합하는 경로(오른쪽 경로)와, 분해되지 않고 그대로 유지되는 경로(왼쪽 경로)가 가능하다고 하자. 만약 처음 공급된 대사물질이 50%는 완전히 ¹³C로 표지되고(균일 표지, 파란색 원) 50%는 표지되지 않았다면(흰색 원), 반응 후 생성물의 표지 패턴은 두 경로를 통과하는 물질의 비율에 따라 달라진다. 왼쪽 경로만 따른다면 초기 비율(50:50)이 유지되지만, 오른쪽 경로를 따르면 다양한 표지 패턴(동위체, isotopomer)이 나타난다. 실제 생성물의 동위체 분포를 측정하면, 각 경로를 통해 흐르는 물질의 양, 즉 대사 흐름을 정량적으로 파악할 수 있다.^[9]^[10]

MFA는 이렇게 얻어진 동위원소 표지 데이터와 함께 각 반응의 화학 양론(반응물과 생성물의 양적 관계), 생화학적 제약 조건, 그리고 최적화 알고리즘을 이용하여 세포 내 전체 대사 흐름 지도를 완성한다. 특히, 비가역 반응에 대한 정보는 흐름 방향을 결정하는 데 중요한 제약을 제공한다. 계산된 흐름 정보는 지도로 시각화되며, 보통 화살표의 굵기로 각 반응의 흐름 크기를 나타낸다.^[8]^[11]

=== 측정 기술 ===

안정 동위원소 표지 실험에서 생성된 다양한 동위체의 분포를 측정하는 데는 주로 핵자기 공명 분광법(NMR)과 질량 분석법(MS)이 사용된다.

==== 핵자기 공명 분광법 (NMR) ====

양성자 NMR(¹H NMR)은 ¹³C 표지 실험에 처음 사용된 기술 중 하나이다. 이 방법은 특정 대사체 분자 내에서 양성자가 붙어 있는 각각의 탄소 위치를 개별적으로 관찰할 수 있게 해준다.^[12] 이를 통해 각 탄소 위치별로 ¹³C가 얼마나 포함되어 있는지(표지율)를 알 수 있다. 하지만 양성자 NMR만으로는 전체 분자의 모든 동위체 정보를 얻기에는 한계가 있다. 분자에 탄소 원자가 ''n''개 있다면, 최대 ''n''개의 위치별 정보만 얻을 수 있기 때문이다.¹³C NMR은 양성자 NMR보다 더 자세한 동위체 분포 정보를 제공한다. ¹³C NMR 스펙트럼에서는 특정 탄소 원자의 신호가 바로 옆에 있는 탄소 원자가 ¹³C로 표지되었는지 여부에 따라 다르게 나타난다(초미세 분열). 이웃 탄소가 표지되지 않으면 단일선(singlet)이, 이웃 탄소 하나만 표지되면 이중선(doublet)이, 두 이웃 탄소 모두 표지되면 삼중선(triplet) 또는 더 복잡한 신호가 나타난다.^[12]

NMR 기술은 강력한 분석 도구이지만, 대사 흐름 분석에 활용하기에는 몇 가지 단점이 있다. NMR 분석은 전문적인 지식과 경험을 요구하며, 고가의 NMR 장비가 필요하다. 또한, 특정 대사체의 동위체 정보를 정확히 얻기 위해 측정 조건을 최적화하고 복잡한 스펙트럼 데이터를 분석하는 데 숙련된 전문가와 특화된 소프트웨어가 필요할 수 있다.

==== 질량 분석법 (MS) ====

질량 분석법(MS)은 NMR보다 대사 흐름 분석 실험에 더 널리 사용되며, 일반적으로 더 높은 민감도를 가진다. MS는 시료를 이온화하여 질량 대 전하 비(m/z)에 따라 분리하고 검출하는 방식으로 작동한다. 안정 동위원소 표지 실험에서는 MS를 이용하여 분자 내 표지된 원자의 개수에 따른 질량 차이를 측정함으로써 다양한 동위체의 상대적인 양을 분석한다. 동일한 수의 표지된 탄소 원자를 가진 동위체들은 같은 질량 값을 가지므로 하나의 피크로 검출된다. ''n''개의 탄소 원자를 가진 분자의 경우, 표지된 탄소가 0개부터 ''n''개까지 있는 총 ''n''+1가지의 질량 이소토포머 피크가 나타날 수 있으며, 각 피크의 강도를 측정하여 질량 이소토포머 분율을 계산한다.^[12]

MS는 주로 크로마토그래피 기술과 결합하여 사용된다.

'''기체 크로마토그래피-질량 분석법(GC-MS)''': 시료를 기체 크로마토그래피(GC)로 분리한 후 MS로 분석한다. GC 컬럼을 통과한 화합물은 이온화 과정에서 분자 이온뿐만 아니라 여러 조각 이온(fragment ion)으로 쪼개지기도 한다. GC-MS는 이 분자 이온과 조각 이온 모두의 질량 이소토포머 분포를 측정할 수 있어 더 많은 정보를 얻을 수 있다는 장점이 있다. 다만, GC 분석을 위해서는 시료 분자를 휘발성 유도체로 만들어야 하는 경우가 많다. 예를 들어, 아미노산 분석에는 N,N-디메틸폼아미드 디메틸 아세탈(DMFDMA)^[14]이나 N-(tert-부틸디메틸실릴)-N-메틸트리플루오로아세트아미드(MTBSTFA)^[15] 같은 유도체화 시약이 사용된다.
'''액체 크로마토그래피-질량 분석법(LC-MS)''': 액체 크로마토그래피(LC)로 시료를 분리한 후 MS로 분석한다.^[13] LC-MS는 GC-MS와 달리 시료의 화학적 유도체화가 필요 없는 경우가 많다는 장점이 있지만, 대사 흐름 분석 분야에서의 활용은 아직 GC-MS만큼 보편적이지는 않다.

MS 기술 사용 시 몇 가지 주의할 점이 있다. GC-MS의 경우, 유도체화 과정이 필요하며, 동위원소 표지 여부에 따라 GC 컬럼에서의 머무름 시간이 약간 달라지는 동위 원소 효과가 나타날 수 있다. 또한, 컬럼에 너무 많은 시료를 주입하지 않도록 주의해야 한다.^[15] 마지막으로, 탄소 외 다른 원소(예: 산소, 규소)에도 자연적으로 존재하는 동위원소(¹⁷O, ¹⁸O, ²⁹Si, ³⁰Si 등)가 있기 때문에, 이들이 질량 스펙트럼에 영향을 미쳐 데이터 분석 시 고려해야 한다. 특히 규소(Si)는 GC-MS 유도체화 시약에 포함되는 경우가 많아 주의가 필요하다.^[12]

2. 2. 방사성 동위원소 표지법

방사성 동위원소 표지법은 물질이 특정 시스템을 통과하는 과정을 추적하는 기술이다. 추적하려는 물질의 화학 조성에 방사성 핵종을 포함시켜 '표지'한다. 이 표지된 물질이 방사성 붕괴 시 방출되는 입자 방사선을 감지하여 물질의 존재와 위치를 확인할 수 있다.^[4] 이는 동위원소 표지법의 특수한 경우이다.

방사성 동위 원소는 젤 전기 영동에서 젤의 오토라디오그래피를 사용하여 검출할 수 있다. 방사성 동위 원소를 포함하는 화합물에서 방출되는 방사선은 사진 필름을 노출시켜, 젤에서 표지된 화합물의 위치를 기록한다.

이 목적에 특히 유용한 방사성 붕괴 유형은 양전자 방출이다. 양전자는 전자와 충돌하면 정반대 방향으로 진행하는 두 개의 고에너지 광자를 방출한다. 양전자가 고체 물질 내에서 생성될 경우, 보통 1mm 이상 이동하기 전에 이러한 소멸 현상이 발생할 가능성이 높다. 이 두 개의 광자를 동시에 감지하면 붕괴 사건의 위치를 매우 정확하게 확인할 수 있다.

엄밀히 말해, 동위원소 표지법은 실험자가 인위적으로 방사능을 도입하는 경우만을 포함하지만, 일부 자연 현상을 통해 유사한 분석을 수행할 수 있다. 특히, 방사성 연대 측정은 이와 밀접하게 관련된 원리를 사용한다.

3. 동위원소 표지법의 활용

"동위원소 표지"는 특정 분자 내 하나 이상의 원자를 같은 화학 원소의 다른 동위 원소로 대체하여, 화학적 또는 생화학적 과정을 추적하고 이해하는 데 사용되는 기술이다. 표지된 원자는 일반 원자와 거의 동일하게 거동하므로 연구 중인 반응에 큰 영향을 미치지 않으면서도, 중성자 수의 차이로 인해 구별하여 감지할 수 있다.

이 기술은 다양한 분석 방법과 결합하여 활용된다. 예를 들어, 핵 자기 공명(NMR)이나 질량 분석법(MS)은 동위원소의 차이를 감지하여 반응 후 생성된 물질에서 표지된 원자가 어느 위치에 있는지를 알아낼 수 있게 해준다. 이를 통해 초기 물질이 최종 생성물로 변환되는 구체적인 경로를 파악할 수 있다. 방사성 동위 원소를 사용하는 경우, 젤 전기 영동 후 오토라디오그래피 기법을 통해 방사선을 방출하는 표지된 화합물의 위치를 시각적으로 확인할 수도 있다.

동위원소 추적자는 일반적으로 안정 동위 원소 추적자와 방사성 동위 원소 추적자의 두 가지 범주로 세분된다.^[4] 안정 동위원소는 방사능이 없어 안전하게 사용할 수 있으며 주로 질량 차이를 이용해 분석한다. 방사성 동위원소는 방사성 붕괴를 통해 검출하며, 매우 적은 양으로도 추적이 가능하다는 장점이 있다. 연구 목적과 대상, 환경에 따라 적합한 종류의 동위원소 추적자를 선택하여 사용한다.

동위원소 표지 기술은 생화학, 의학, 환경 과학, 지질학 등 다양한 과학 분야에서 중요한 연구 도구로 활용되고 있다. 특히 복잡한 시스템 내 물질의 이동이나 변화 과정을 이해하는 데 유용하다.

3. 1. 생화학 및 대사 연구

안정 동위원소 표지법은 생화학 분야에서 대사 경로와 같은 복잡한 생물학적 시스템을 연구하는 데 유용하게 사용된다. 이 방법은 방사능이 없는 안정한 동위원소(예: ²H, ¹³C, ¹⁵N)를 추적자로 사용하여 특정 분자의 움직임이나 변화 과정을 관찰한다.^[6] 안정 동위원소로 표지된 화합물은 핵자기 공명(NMR)이나 질량 분석법(MS)과 같은 분석 기기를 통해 검출할 수 있다.

특히, 대사 흐름 분석(Metabolic Flux Analysis, MFA)은 안정 동위원소 표지법을 활용하여 세포 내에서 일어나는 다양한 화학 반응들의 속도와 경로를 정량적으로 파악하는 핵심적인 기술이다.^[7] MFA 연구 과정은 다음과 같다.

# 연구하려는 세포에 특정 원자가 안정 동위원소로 표지된 영양분(예: ¹³C로 표지된 포도당)을 공급한다.

# 세포가 이 표지된 영양분을 흡수하여 대사 활동을 하도록 배양한다. 이때 세포 내 대사 흐름이 일정한 상태, 즉 정상 상태에 도달하도록 유지하는 것이 중요하다.^[7]

# 세포 내 다양한 대사 산물들을 추출하여 NMR이나 MS로 분석한다.

# 분석 결과를 통해 각 대사 산물 분자 내에 표지된 동위원소가 어떻게 분포하는지(동위체 분포) 파악한다.

이 동위체 분포 정보는 특정 대사 경로를 통해 물질이 얼마나 빠르고 어떤 방식으로 전환되는지에 대한 중요한 단서를 제공한다.^[8]^[9] 예를 들어, 포도당의 특정 탄소 위치를 ¹³C로 표지하여 공급했을 때, 당 분해 과정이나 오탄당 인산 경로를 거쳐 생성되는 다른 대사 산물들에서 ¹³C가 어느 위치에 얼마나 존재하는지를 분석하면 각 경로의 활성 정도를 추정할 수 있다.^[5]

MFA는 이렇게 얻어진 동위체 분포 데이터와 함께 각 반응의 화학 양론 정보, 열역학적 제약 조건 등을 종합하여 세포 내 전체 대사 흐름 지도를 완성한다. 이 흐름 지도는 각 반응의 상대적인 중요성(흐름의 크기)을 시각적으로 보여주며, 특정 조건에서 세포의 대사 상태를 이해하는 데 도움을 준다.^[8]^[11]

=== 분석 기술 ===

MFA에서 동위체 분포를 측정하는 주요 기술로는 핵자기 공명 분광법(NMR)과 질량 분석법(MS)이 있다.

==== 핵자기 공명 분광법 (NMR) ====

NMR, 특히 양성자 NMR과 13C NMR은 분자 내 특정 위치의 동위원소 표지 여부를 구별할 수 있다.^[12] ¹³C NMR의 경우, 특정 탄소 원자와 직접 연결된 이웃 탄소 원자의 표지 상태에 따라 신호가 다르게 나타나(단일선, 이중선, 삼중선 등) 더 자세한 동위체 정보를 얻을 수 있다.^[12] 하지만 NMR 분석은 상대적으로 감도가 낮고, 복잡한 스펙트럼 해석을 위해 전문적인 지식과 장비, 분석 소프트웨어가 필요하다는 단점이 있다.^[12]

==== 질량 분석법 (MS) ====

질량 분석법(MS)은 NMR보다 감도가 높아 MFA 연구에 더 널리 사용된다.^[12] MS는 분자를 이온화시킨 후 질량 대 전하 비에 따라 분리하여, 동일한 분자라도 동위원소 표지 개수에 따라 질량이 달라지는 것을 이용하여 동위체 분포를 측정한다.

기체 크로마토그래피-질량 분석법(GC-MS): 시료를 기화시킨 후 기체 크로마토그래피로 분리하고 MS로 분석한다. 분자 이온뿐 아니라 다양한 조각 이온들의 동위체 정보까지 얻을 수 있어 유용하지만,^[12] 분석 전에 시료를 휘발성 유도체로 만들어야 하는 과정이 필요하다.^[14]^[15] 또한, 동위원소 표지에 따른 미세한 분리 시간 차이나 자연계에 존재하는 다른 동위원소(예: ¹⁷O, ¹⁸O, ²⁹Si, ³⁰Si)의 영향도 고려해야 한다.^[12]^[15]
액체 크로마토그래피-질량 분석법(LC-MS): 시료를 액체 크로마토그래피로 분리한 후 MS로 분석한다. GC-MS와 달리 유도체화 과정이 필요 없는 경우가 많지만,^[13] MFA 분야에서의 활용은 아직 GC-MS만큼 보편적이지는 않다.

MS 분석 결과는 특정 질량을 가진 동위체의 상대적인 양(질량 동위체 분율)으로 나타나며, 이 정보를 이용하여 대사 흐름을 계산한다.^[12]

3. 2. 단백질체학(Proteomics) 연구

단백질체학은 유전자체가 만들어내는 전체 단백질 집합을 연구하는 분야이다. 이 분야 연구, 특히 질병의 생체 지표를 식별하는 데에는 SILAC 기법이 사용될 수 있다. SILAC은 특정 아미노산에 안정 동위원소 표지를 하여 단백질의 양적 변화를 추정하는 방법이다.^[31]

단백질 재조합 기술로 특정 단백질을 대량 생산할 때도 동위원소 표지는 유용한 도구로 활용된다. 이는 해당 단백질의 기능을 시험하고 분석하는 데 도움을 준다. 표지 방법으로는 단백질 내 특정 원자핵을 선택적으로 ¹³C 또는 ¹⁵N과 같은 안정 동위원소로 농축시키거나, ¹H(수소)를 제거하는 방식 등이 있다. 예를 들어, 재조합 단백질은 질소 공급원으로 ¹⁵N-염화 암모늄을 포함하는 배지에서 Escherichia coli|대장균^lat(''E.coli'')을 이용하여 발현시킬 수 있다.^[32] 이렇게 생성된 ¹⁵N 표지 단백질은 고정화 금속 친화성 크로마토그래피 등의 방법을 통해 정제된 후, 그 비율이나 양을 추정한다. 표지된 단백질의 생산 수율을 높이고 동위원소 표지 배지의 비용을 절감하기 위해, 먼저 일반 배지에서 세포 수를 충분히 늘린 다음 최소량의 표지 배지를 첨가하는 대체 절차가 주로 사용된다.^[33]

동위원소 표지는 단백질 연구 외에도 세포 외부 환경(''in vitro'')에서 DNA 합성을 측정하는 데, 즉 세포 증식을 측정하는 데에도 응용된다. 예를 들어, ³H-티미딘 표지를 사용하여 세포 내 DNA 합성 패턴(또는 서열)을 비교 분석할 수 있다.^[34]

3. 3. 영양학 연구

안정 동위원소 추적자를 사용하여 인간의 무기질 영양 및 대사를 연구하는 것은 1960년대에 처음 보고되었다.^[16] 방사성 동위원소가 수십 년 동안 인간 영양 연구에 사용되었지만, 안정 동위원소는 특히 임신 및 수유 여성, 어린이 등 방사선 노출에 대한 우려가 높은 대상에게 더 안전한 대안을 제시했다. 안정 동위원소는 또한 적절한 방사성 동위원소가 없는 원소를 연구하고 장기간의 추적자 거동을 연구할 수 있다는 장점이 있다.^[17]^[18] 이러한 장점 덕분에 안정 동위원소는 동위원소 농축 물질과 무기 질량 분석기가 점점 더 보급되면서 널리 사용되었다. 안정 동위원소 사용에는 몇 가지 단점도 있다. 더 많은 양의 추적자가 필요하여 자연적으로 존재하는 무기질을 교란할 가능성이 있으며, 분석 시료 준비가 더 복잡하고 질량 분석법 기기가 더 비싸며, 전신 또는 특정 조직에 추적자가 존재하는 것을 외부에서 측정할 수 없다.^[19] 그럼에도 불구하고 장점이 더 크다고 여겨져, 안정 동위원소는 인간 대상 연구의 표준 방법으로 자리 잡았다.

인간의 건강에 필수적이며 영양 연구자들이 특히 관심을 갖는 대부분의 무기질은 안정 동위원소를 가지고 있으며, 일부는 자연 존재비가 낮아 생물학적 추적자로 사용하기에 적합하다.^[17]^[19] 철, 아연, 칼슘, 구리, 마그네슘, 셀레늄, 몰리브덴 등이 동위원소 추적자 방법이 적용된 안정 동위원소를 가진 필수 무기질에 속한다. 특히 철, 아연, 칼슘에 대한 연구가 광범위하게 이루어졌다.

연구 대상이 되는 무기질 영양 및 대사 측면에는 흡수(위장관에서 신체로), 분포, 저장, 배설 및 이러한 과정의 동역학이 포함된다. 동위원소 추적자는 연구 대상자에게 경구(음식과 함께 또는 없이, 혹은 무기질 보충제와 함께) 및/또는 정맥 내로 투여된다. 그 후 혈장, 적혈구, 소변, 대변 등에서 동위원소 농축 정도를 측정한다.^[20]^[21] 모유^[22] 및 장 내용물에서도 농축을 측정하기도 한다. 추적자 실험 설계는 대사 과정의 차이로 인해 무기질마다 다를 수 있다. 예를 들어, 철 흡수는 일반적으로 적혈구 내 추적자 혼입을 통해 결정되는 반면, 아연 또는 칼슘 흡수는 혈장, 소변 또는 대변에서 추적자의 출현을 통해 측정된다.^[23]^[24] 여러 동위원소 추적자를 한 연구에서 동시에 투여하는 것이 일반적인데, 이를 통해 더 신뢰성 있는 측정 방법을 사용하고 대사의 여러 측면을 동시에 조사할 수 있다.

식단에서 무기질 흡수를 측정하는 것은 종종 생체 이용률 평가로 간주되며, 영양 연구에 동위원소 추적자 방법을 적용하는 가장 일반적인 사례이다. 이러한 연구는 음식 유형(예: 식물성 대 동물성, 모유 대 분유), 식단의 다른 성분(예: 피틴산), 질병 및 대사 장애(예: 환경성 장병증), 생식 주기, 식단 내 무기질 양, 만성적인 무기질 결핍, 대상 연령 및 항상성 메커니즘에 따라 흡수가 어떻게 영향을 받는지 조사하는 것을 목표로 한다. 이러한 연구 결과는 해당 무기질의 인간 생리적 요구량 및 식이 요구량을 추정하는 근거로 활용된다.^[25]^[26]

추적자를 무기질 흡수 및 대사를 관찰할 목적으로 음식과 함께 투여하는 경우, 고유 표지 또는 외부 표지의 형태일 수 있다.^[27]^[28] 고유 표지는 생산 과정에서 음식에 동위원소를 도입하여 음식의 자연적인 무기질 함량을 농축시키는 방식인 반면, 외부 표지는 연구 기간 동안 음식에 추적자 동위원소를 첨가하는 방식이다. 고유 표지 방식은 시간과 비용이 많이 소요되어 일상적으로 사용되지는 않는다. 다양한 음식의 고유 표지와 외부 표지를 사용하여 흡수 측정을 비교한 연구들은 일반적으로 두 표지 방법 간에 좋은 일치를 보여주었으며, 이는 외부 무기질과 자연 발생 무기질이 인간 위장관에서 유사하게 처리된다는 가설을 뒷받침한다.

농축 정도는 안정 동위원소 비율을 측정하여 정량화하며, 이는 질량 분석법으로 추적 동위원소와 기준 동위원소의 비율을 구하는 것이다. 농축에 대한 정의와 계산 방식은 연구자마다 다양하게 사용될 수 있다.^[29] 여러 추적자를 동시에 사용하는 경우 농축 계산은 더 복잡해진다. 농축된 동위원소 제제는 동위원소적으로 순수하지 않기 때문에(즉, 부자연스러운 농도로 모든 원소의 동위원소를 포함하기 때문에), 여러 동위원소 추적자의 농축 계산은 다른 추적자의 존재로 인한 각 동위원소 비율의 교란을 고려해야 한다.^[29]

무기질 결핍은 특히 자원이 부족한 국가에서 인간 건강과 복지에 심각한 영향을 미치고 있다. 이러한 문제 해결에 기여하고자 국제 원자력 기구(IAEA)는 최근 서구 학술 센터 외 연구자들에게도 안정 동위원소 기술 지식을 전파하기 위해, 관련 방법에 대한 상세하고 포괄적인 설명을 발표하는 등 국제적인 노력을 기울이고 있다.^[23]^[30]

3. 4. 환경 과학 및 생태학 연구

동위원소 표지는 자연계, 특히 육상 환경 및 수생 환경의 과정을 조사하는 데 사용된다. 토양 과학에서는 ¹⁵N 표지가 질소 순환 연구에 광범위하게 활용된다. 또한, ¹³C와 ¹⁴C(각각 탄소의 안정 동위 원소와 방사성 동위 원소)는 유기 화합물의 회전율과 자가영양생물에 의한 CO₂ 고정을 연구하는 데 사용된다. 예를 들어, Marsh 등(2005)은 이중 표지(¹⁵N 및 ¹⁴C) 요소를 사용하여 암모니아 산화제가 에너지원(암모니아 산화)과 탄소원(화학 자가영양 탄소 고정)으로 화합물을 활용한다는 것을 입증했다.^[35] 중수(Deuterated water)는 나무^[36] 또는 생태계^[37] 내 물의 운명과 연령을 추적하는 데에도 사용된다.

3. 5. 해양학 연구

동위원소 추적자는 다양한 해양학적 과정을 연구하는 데 널리 사용된다. 연구에 사용되는 동위원소는 일반적으로 생성 및 붕괴원과 속도가 잘 알려진 자연 발생 동위원소이지만, 인위적 동위원소 역시 매우 유용하게 활용될 수 있다. 연구자들은 서로 다른 위치와 시간에서 동위원소 비율을 측정하여 해양의 물리적 과정에 대한 정보를 얻는다.

해양 내 입자 수송 연구에는 토륨(Thorium) 동위원소가 활용된다. 특히 ²³⁴Th는 해양에서 일정하고 잘 정의된 생성 속도를 가지며 반감기는 24일이다. 이 동위원소는 깊이에 따라 선형적으로 변하는 경향이 있어, 이러한 패턴에서 벗어나는 변화는 입자에 의한 ²³⁴Th의 수송을 의미한다. 예를 들어, 표층수에서 낮은 동위원소 비율을 보이다가 몇 미터 아래에서 매우 높은 값을 나타낸다면 이는 아래 방향으로의 수직적인 입자 이동(플럭스)을 시사한다. 또한, 특정 깊이에서 토륨 동위원소의 분포를 추적하여 입자의 측면 수송을 파악할 수도 있다.^[38]

만, 하구, 지하수와 같은 국소적인 시스템 내의 순환은 라듐(Radium) 동위원소를 이용하여 조사할 수 있다. ²²³Ra는 반감기가 11일이며, 강이나 지하수원에서 특정 위치에서 자연적으로 발생한다. 라듐 동위원소 비율은 수원지인 강에서 나온 물이 만이나 하구로 유입되면서 점차 감소한다. 여러 지점에서 ²²³Ra의 양을 측정함으로써 순환 패턴을 파악할 수 있다.^[39] 이와 동일한 원리로 지하수의 이동 및 배출을 연구하는 것도 가능하다.^[40]

전 세계적인 규모의 순환 연구에는 납(Lead)의 다양한 동위원소가 사용된다. 대서양, 태평양, 인도양 등 서로 다른 대양은 각기 다른 납 동위원소 특성을 가진다. 이는 각 대양 내 퇴적물과 암석의 동위원소 비율 차이 때문이다.^[41] 납의 동위원소들은 반감기가 50년에서 200년 사이이므로, 동위원소 비율이 전체 대양에서 완전히 균질화될 만큼 충분한 시간이 흐르지 않았다. 따라서 Pb 동위원소 비율을 정밀하게 분석하여 서로 다른 대양 간의 물 순환을 연구할 수 있다.^[42]

반감기가 매우 긴 동위원소와 그 붕괴 생성물은 지각 변동이나 극심한 기후 변화와 같이 수백만 년 단위의 장기적인 과정을 연구하는 데 사용된다. 예를 들어, 루비듐-스트론튬 연대 측정법에서 사용되는 스트론튬(⁸⁷Sr/⁸⁶Sr)의 동위원소 비율을 빙하 코어 내에서 분석하여 지구 역사 동안의 변화를 조사할 수 있다. 빙하 코어 내에서 이 비율의 변화는 지구 화학적 환경에 상당한 변화가 있었음을 나타낸다.^[42]

자연 발생 동위원소 외에도 인위적인 동위원소 역시 해양학 연구에 유용하게 활용된다. 과거 핵무기 실험으로 인해 다양한 종류의 희귀 동위원소들이 전 세계 바다로 방출되었다. ³H(삼중수소), ¹²⁹I, ¹³⁷Cs 등은 해수에 용해된 상태로 발견되며, ²⁴¹Am(아메리슘)과 ²³⁸Pu(플루토늄)는 입자에 부착된 형태로 존재한다. 물에 용해된 동위원소들은 특히 전 지구적 순환 연구에 유용하다. 예를 들어, 해양 내 특정 지역에서 측면으로 동위원소 비율이 급격히 변하는 것은 강한 해수 전선이나 환류(gyre)의 존재를 나타낼 수 있다.^[43] 반대로, 입자에 부착된 동위원소는 수층 내에서의 질량 수송을 연구하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 높은 농도의 Am 또는 Pu가 깊은 곳에서 관찰되면 입자의 침강을, 표층에서 관찰되면 용승을 나타낼 수 있다.^[44]

참조

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