광학현미경의 진화.. '세포의 칼슘 소통' 동시포착 가능

[아시아경제 황준호 기자] 살아있는 세포와 그주변을 흐르는 혈액을 동시에 고화질로 관찰할 수 있는 현미경 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 정지된 화면을 정밀하게 관찰하는 공간 분해능과 물체의 움직임을 잘게 쪼개 관찰하는 시간 분해능을 모두 갖춘 현미경으로, 미세 유로 채널 관련 연구나 칼슘 신호 전달 등의 연구에 기여할 수 있을 것으로 예상된다.

정밀하게 움직임을 관찰하는 현미경

미세 유로 채널 내에 배양된 세포와 주변을 흐르는 유체 흐름의 삼차원 분포도.

박정훈 울산과학기술원 생명과학부 교수의 연구팀은 구조화 조명 현미경의 시간 분해능과 공간 분해능을 한 이미지 내에서 제어하는 기법을 개발해, 관련 논문이 국제 학술지인 옵티카에 최근 실렸다고 18일 밝혔다.

연구팀은 광학현미경 중 하나인 구조화 조명 현미경의 단점을 개선했다. 광학현미경은 가시광선을 이용해 물질의 확대 이미지를 얻는 현미경이다. 원자 단위까지 구석구석 살필 수 있는 전자현미경보다 또렷하게 볼 수는 없지만, 세포와 같이 살아있는 대상을 3차원으로 관찰할 수 있다는 장점이 있다. 구조화 조명 현미경은 방충망과 같은 작은 무늬로 이뤄진 구조체 두 장을 겹쳐 표면에 아른거리는 간섭무늬의 형태를 통해 물질의 미세구조를 관찰하는 현미경이다. 하지만 복수의 이미지를 통해 대상의 모습을 포착한다는 점에서 순간적 현상을 포착하기는 어렵다는 단점이 있다.

연구팀은 촬영하려는 영역의 특성에 맞춰 선택적으로 빛의 진폭을 제어하는 방식으로 이같은 단점을 해소했다. 짧은 수간을 포착해야 하는 유체 영역은 높은 시간분해능을 갖는 진폭 패턴의 빛을, 더 또렷한 이미지가 필요한 세포 부분은 공간분해능을 갖도록 하는 진폭 패턴의 빛을 쪼여, 미세한 세포의 고화질 이미지와 주변 유체의 흐름을 한 화면에 담아냈다. 연구팀은 이 기술로 암세포를 배양하는 유체(액체)의 흐름과 그로 인해 발생한 세포의 미세 변화를 동시에 관찰했다.

칼슘 신호 전달 등 관찰 가능

연구팀이 개발한 구조체 조명 현미경의 작동 모식도

제1 저자인 생명과학부 우태성 연구원은 "빛의 진폭을 하나의 공간 안에서 조절 할 수 있으므로 시간 분해능이 필요한 암세포 주변은 평면파를, 공간 분해능이 필요한 세포 부분에 정현파(sine wave)를 조사해 초고해상도 이미지를 얻을 수 있었다"라고 설명했다.

연구팀은 세포 안팎을 왕복하는 칼슘 이온의 움직임(시간분해능)과 칼슘 이온 때문에 생기는 세포의 변화(공간분해능)를 동시에 포착할 가능성이 높아졌다고 평가했다. 또 빛의 진폭을 10 kHz 이상의 빠른 속도로(주파수) 하나의 공간에서 제어하는 광학 시스템에 기반하고 있어, 이를 응용해 초고속 촬영 시스템 구현이 가능하다고 설명했다.

박정훈 교수는 "기존 현미경으로는 관측 불가능했던 서로 다른 시·공간 스케일의 생명현상을 동일 현미경으로 한 이미지 내에 동시에 관찰했다는 점에서 의미 있는 연구"라며 "미세 유로 채널 관련 연구나 높은 시간분해능이 필요한 칼슘 신호 전달 등 각종 생명·물리 현상의 관측에 적용 가능할 것"으로 예상했다.

황준호 기자 rephwang@asiae.co.kr