혁신적 현미경, 실시간으로 전례 없는 세포 내부 디테일 포착

과학자들이 다세포 생물체 내 세포내부 역학을 이미징할 수 있는 새로운 현미경을 개발했습니다. 이를 위해 격자 광시트 현미경(Lattice light-sheet microscopy)과 적응 광학(Adaptive optics) 기법을 결합했습니다. 세포 내부에서 소기관(organelle)들이 스스로 형태를 갖춰가는 행동을 실시간으로 관찰할 수 있었습니다.

도전 과제

3세기 넘게 연구자들은 현미경으로 세포를 관찰해 왔습니다. 지금까지 최상의 시각화는 유리 슬라이드 위에 고립된 세포에서 얻었습니다. 하지만 다세포 생물체 내 세포를 실시간으로 관찰하는 것은 훨씬 더 복잡한 과제로 남아 있었습니다.

대상 세포가 주변 분자 구조나 조직에 둘러싸여 있는 경우가 많아, 현미경 대물렌즈로 들어가고 돌아오는 빛의 경로를 방해해 중요한 디테일이 흐려집니다. 강력한 빔을 쓰는 것도 완벽한 해결책은 아닙니다. 조직과 다른 분자 구조를 부분적으로 손상시키거나 왜곡할 수 있기 때문입니다.

어떻게 해결했나?

이 문제들을 해결하기 위해 연구진은 두 가지 기법을 결합했습니다:

1. 격자 광시트 현미경: 화독성(phototoxicity)으로 인한 세포 손상을 줄이면서 화상 획득 속도를 높입니다.
2. 적응 광학: 능동적으로 거울을 형성해 들어오는 파동면 왜곡을 줄입니다. 일반적으로 천문 망원경에 사용됩니다.

격자 광시트 현미경에서는 구조화된 광시트를 사용해 시료의 연속된 평면에서 형광을 여기시킵니다. 이는 동적 생물학적 과정에 대한 통찰을 제공하는 3D 화상 시퀀스를 생성합니다.

반면 적응 광학은 파동면 왜곡을 분석하고, 액정 어레이나 변형 거울 같은 장치로 그 오류를 보정함으로써 작동합니다.

간소화된 현미경 도식 | 연구진 제공

이들은 이중 광자 레이저로 적응 광학 세팅을 생성해 이 원리들을 현미경 분야에 적용했습니다. 격자 광시트가 다세포 생물체를 관통할 때, 이 세팅은 시트의 얇은 조명을 유지해 대상 세포의 왜곡 없는 화상을 생성합니다.

참조: ScienceMag | doi:10.1126/science.aaq1392 | Harvard University

그런 다음 다양한 생물학적 샘플로 이 현미경을 검증하고, 정보를 효과적으로 시각화하는 필수 도구들을 개발했습니다. 이에는 완전 인터랙티브 3D 비디오가 포함됩니다.

결과

암세포 | 출처: Rick Groleau and Kevin Jiang

예상했듯 결과는 매우 인상적이었습니다. 이미지에서 보듯, 혈관 벽[보라색]을 뚫고 지나가는 암세포[녹색]가 선명하게 보입니다. 아래 이미지는 제브라피시 눈의 세포들을 3D로 보여줍니다.

제브라피시 눈 세포들 | 출처: Liu et al

연구진은 세포 내부에서 소기관들이 스스로 형태를 갖춰가는 행동을 실시간으로 시각화할 수 있었습니다. 사실 세포가 호르몬, 대사산물, 기타 단백질을 흡수하는 수용체 매개 내포작용(receptor-mediated endocytosis) 과정의 준분자 수준 디테일을 포착했습니다.

앞으로의 과제

연구진은 이제 이 기술을 더 단순하고 저렴하게 만들기 위해 노력 중입니다. 현재 시스템은 3미터 길이 테이블에 들어갑니다. 다음 버전은 소형화되고 저렴해질 것입니다. 또한 첫 번째 현미경은 제넬리아 연구 캠퍼스(Janelia Research Campus)에 설치돼 다른 과학자들이 사용할 수 있게 됩니다.

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