혁신적인 현미경으로 실시간으로 전례 없는 세포 세부 정보 공개

• 과학자들이 다세포 유기체의 세포 이하 역학을 이미지화할 수 있는 새로운 현미경을 개발했습니다. 
• 이를 위해 그들은 Lattice 광시트 현미경과 적응형 광학 기술을 결합했습니다. 
• 그들은 세포 내에서 형성되는 소기관의 행동을 실시간으로 관찰할 수 있었습니다. 

1665년에 로버트 훅(Robert Hooke)은 현미경을 사용하여 코르크의 작은 조각을 관찰한 후 '세포'라고 부르는 작은 덩어리를 발견했습니다. 그 이후로 많은 혁신가들이 이러한 삶의 구성 요소에 대한 더 나은 시각을 제공하기 위해 셀 수 없이 많은 노력을 기울여 왔습니다.

현재 하버드 의과대학과 하워드 휴즈 의학 연구소의 연구원들은 살아있는 세포의 3D 사진과 비디오를 포함하여 뛰어난 세부 정보를 캡처할 수 있는 고급 현미경을 개발했습니다.

현미경의 해상도는 세포를 통해 분자 화물을 운반하는 소포(미세 기포)의 역학과 같은 다세포 유기체의 세포 이하 역학을 이미징할 수 있습니다.

도전

3세기 이상 동안 연구자들은 세포를 관찰하기 위해 현미경을 사용해 왔습니다. 지금까지 유리 슬라이드에 분리된 세포에서 최고의 시각화를 얻었습니다. 그러나 실시간으로 다세포 유기체의 세포를 관찰하는 것은 훨씬 더 복잡한 작업으로 남아 있습니다.

대부분의 경우 표적 세포는 현미경 대물렌즈로 들어오고 돌아가는 빛의 광선을 방해하는 분자 구조나 조직으로 둘러싸여 있어 중요한 세부 사항이 흐려집니다. 강력한 빔을 사용하는 것은 조직 및 기타 분자 구조를 부분적으로 손상/왜곡시킬 수 있으므로 완벽한 솔루션이 아닙니다.

그래서 그들은 어떻게 했나요?

이러한 문제를 해결하기 위해 연구자들은 두 가지 기술을 결합했습니다.

1. 격자 광시트 현미경 광독성으로 인한 세포 손상을 줄이면서 이미지 획득 속도를 높이는 기술입니다.
2. 적응형 광학 거울을 적극적으로 형성하여 들어오는 파면 왜곡을 줄입니다. 일반적으로 천체 망원경에 사용됩니다.

격자 광시트 현미경 검사법에서 구조광 시트는 표본의 연속적인 평면에서 형광을 여기시키는 데 사용됩니다. 이를 통해 역동적인 생물학적 과정에 대한 통찰력을 제공하는 일련의 3D 사진이 생성됩니다.

반면 적응 광학은 파면 왜곡을 분석하고 액정 어레이나 변형 거울과 같은 오류를 수정하는 장비를 사용하여 이를 보상하는 방식으로 작동합니다.

단순화된 현미경 회로도 | 연구원 제공

그들은 적응형 광학 장치를 생성하는 2광자 레이저의 도움으로 현미경 분야에 이러한 원리를 적용했습니다. 격자 광 시트가 다세포 유기체에 침투함에 따라 이 설정은 시트의 얇은 조명을 유지하여 대상 세포의 왜곡 없는 사진을 생성합니다.

참고자료:ScienceMag | doi:10.1126/science.aaq1392 | 하버드 대학교 

그런 다음 다양한 생물학적 샘플에서 이 현미경을 검증하고 정보를 효과적인 방법으로 시각화하는 필수 도구를 개발했습니다. 여기에는 완전한 대화형 3D 비디오가 포함됩니다.

결과

암세포 | 출처:Rick Groleau 및 Kevin Jiang

지금쯤 짐작하셨겠지만 결과는 매우 인상적이었습니다. 이미지에서 볼 수 있듯이, 혈관벽(보라색)을 뚫고 나오는 암세포(녹색으로 표시)가 선명하게 보입니다. 아래 이미지는 제브라피시 눈의 세포를 3D로 보여줍니다.

Zebrafish 눈의 세포 | 출처: Liu 외

연구자들은 세포 내에서 세포 소기관의 행동을 (실시간으로) 시각화할 수 있었습니다. 실제로 그들은 수용체 매개 세포내이입(세포가 호르몬, 대사산물 및 기타 단백질을 흡수하는 과정)의 분자 수준에 가까운 세부 사항을 포착했습니다.

다음은 무엇인가요?



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연구자들은 이제 이 기술을 간단하고 저렴하게 만들기 위해 노력하고 있습니다. 현재 시스템은 3미터 길이의 테이블에 맞습니다. 다음 버전은 작고 저렴할 것입니다. 또한 첫 번째 현미경은 다른 과학자들이 사용할 수 있는 Janelia 연구 캠퍼스에 설치될 예정입니다.