형광 염색 없이도 생생하게! 스탠퍼드 연구진이 개발한 혁신적인 '세포 관찰 현미경'

간섭계 이미지 스캐닝 현미경 기술의 일부인 레이저 배열의 세부 정보. 출처: 스탠포드 대학교의 짐 겐시머

안녕하세요! 오늘은 생명과학계의 오랜 숙제를 풀어낸 스탠퍼드 대학교의 혁신적인 연구 소식을 들고 왔습니다.

우리가 살아있는 세포 내부를 정밀하게 관찰할 때 보통 '형광 염색법'을 사용하곤 합니다. 하지만 염색약이 세포의 자연스러운 행동을 방해하거나, 강한 레이저 빛 때문에 세포가 손상되는 문제가 늘 따라다녔는데요.

최근 스탠퍼드 연구진이 형광 염색 없이도 살아있는 세포 내부를 120나노미터(nm)의 초고해상도로 실시간 관찰할 수 있는 새로운 현미경 기술을 개발하는 데 성공했습니다. 생명의 신비를 밝혀줄 이 놀라운 기술의 비밀을 자세히 알아볼까요?

## 노벨상 수상자와 신진 연구자가 합작한 'iISM' 기술

이번 혁신을 이끈 주인공은 2014년 노벨 화학상 수상자인 W.E. 뫼르너(W.E. Moerner) 교수와 박사후연구원 미셸 퀴퍼스(Michelle Küppers) 박사입니다. 이들은 서로 다른 두 가지 현미경 관찰 방식을 절묘하게 결합하여 '간섭계 이미지 스캐닝 현미경(iISM, Interferometric Image Scanning Microscopy)'이라는 고유한 장비를 만들어냈습니다.

전 세계적인 과학 학술지 *'Light: Science and Applications'*에 게재된 이 기술은 빛이 미세한 입자와 부딪혀 흩어지는 '산섭 매커니즘'을 이용합니다. 세포 내부의 미세 구조들이 레이저 빛을 산란시킬 때, 또 다른 레이저 빔을 더해 희미한 산란광을 대폭 증폭시키는 원리입니다.

## iISM 현미경이 가진 3가지 압도적인 장점

기존 형광 현미경의 한계를 뛰어넘은 iISM 기술의 핵심 장점은 다음과 같습니다.

• 염색약 없는(Label-free) 120nm 초고해상도 세포에 인위적인 유전적 태그나 화학 염색약을 입히지 않고도 120nm라는 전례 없는 고해상도를 달성했습니다. 염색약이 세포 고유의 기능을 왜곡할 위험을 원천 차단한 것입니다.
• 획기적인 세포 손상(光독성) 감소 유사한 고대비 무염색 관찰 방식들과 비교했을 때 약 10배나 더 낮은 레이저 출력으로도 작동합니다. 덕분에 빛에 취약하고 연약한 살아있는 세포를 훨씬 더 부드럽고 안전하게, 그리고 아주 오랜 시간 동안 관찰할 수 있게 되었습니다.
• 수많은 구조의 동시 관찰 가능 기존 형광 방식은 한 번에 몇 가지 특정 구조만 마킹할 수 있고 시간이 지나면 신호가 흐려졌지만, iISM은 세포 내부의 수많은 구조와 기계들이 서로 상호작용하고 움직이는 전체적인 '맥락'을 한눈에 길게 추적할 수 있습니다.

지진파 탐사와 닮은 수백 개의 '눈' 기존 현미경이 하나의 핀홀과 단일 검출기로 대상을 좁게 보았다면, iISM은 카메라 기반의 '어레이 검출기'를 사용합니다. 마치 사람이 두 눈으로 원근감을 입체적으로 인지하듯, 수십에서 수백 개의 시점을 동시에 확보한 뒤 이를 정밀한 알고리즘으로 결합하여 훨씬 선명하고 명암비가 높은 이미지를 만들어 냅니다.

## 암 치료부터 감염병 연구까지, 무궁무진한 활용

연구진은 이 기술이 특정 분야에만 쓰이는 틈새 기술이 아니라, 생명과학 전반에 걸쳐 강력한 도구가 될 것이라고 강조합니다. 실제로 스탠퍼드 내의 다른 연구팀들과 이미 3가지 주요 협업 프로젝트에 착수했다고 하는데요.

1. 식물 세포와 균류, 박테리아가 실시간으로 어떻게 상호작용하는지 관찰
2. 항암제(암 치료 약물)가 세포 내부로 침투하는 구체적인 경로 추적
3. 말라리아에 감염된 적혈구가 외부 침입자를 만났을 때 모양이 어떻게 변형되는지 분석

연구진은 기존의 형광 현미경을 완전히 대체하는 것이 아니라, 두 기술의 장점을 상호보완적으로 결합한다면 그동안 풀지 못했던 복잡한 세포 역학의 수수께끼들을 풀어낼 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.

지구상에서 가장 복잡하고 정밀한 상자인 '세포'의 내부를 이토록 생생하게 들여다볼 수 있게 되었다니, 앞으로 인류의 질병 정복과 생명과학 발전에 어떤 멋진 기여를 하게 될지 정말 기대됩니다!

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