IBS Institute for Basic Science
Search

빛의 간섭을 이용해 세포 내부를 들여다보다

작성자 : Center for Molecular Spectroscopy and Dynamics 등록일 : 2018-02-20 조회수:2492

 

 

빛의 간섭을 이용해 세포 내부를 들여다보다

 

생명과학 기초과학연구원 (2018-02-20 10:35)

최근까지 형광 현미경을 이용한 세포 이미징 기법은 세포의 초미세 기관들의 위치와 구조를 가장 정확하게 확인할 수 있는 방법으로 널리 이용되고 있다. 그러나, 특정 형광 분자들을 세포 내부로 주입하는 과정에서, 또는 특정 형광 단백질을 발현시키는 과정에서 세포 내부의 구조 및 기능 변화를 유발하는 단점이 있다. 뿐만 아니라, 빛에 의해 에너지를 전달받은 형광 분자들은 결국 시간이 지남에 따라 산화되어 형광 분자로서의 기능을 잃어버리기 때문에 관찰 가능 시간 또한 매우 짧다. 이러한 형광 이미징의 기술적 한계점을 극복하기 위한 일환으로써, 최근 다양한 방식의 label-free 이미징 기법들의 개발이 이루어지고 있다.

과학기술정보통신부 산하 기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 분자 분광학 및 동력학 연구단 (단장: 조민행) 소속 박진성 박사와 고려대 물리학과 홍석철 교수는 세포를 구성하고 있는 세포 지질막과 내부 소기관들로부터 산란되어 나오는 매우 약한 신호의 빛을 세포가 성장하고 있는 유리 바닥면에서부터 일정하게 반사되어 나오는 상대적으로 강한 빛과 간섭시킴으로써, 형광 분자의 도움 없이 세포의 외곽 구조 뿐 아니라 내부 미세기관들을 고해상도로 관찰할 수 있는 interferometric scattering (iSCAT) 현미경 개발에 성공했다.

본 연구진의 연구 결과에 따르면, iSCAT 세포 영상 이미지는 유사한 배율의 위상차 현미경에서는 보기 어려운 세포 가장자리의 사상위족(filopodium)의 미세구조들을 선명하게 관찰할 수 있었고, 세포 가장자리를 따라 형성된 반복적인 간섭 무늬의 파형을 통해 세포의 3차원적 구조를 직접적으로 확인할 수 있었다. 또한, 세포 내부 소기관들을 구성하고 있는 다층 지질막 구조를 반영하는 것으로 추정되는 다양한 간섭 파형들의 관찰에 성공함으로써, 개발된 iSCAT 현미경이 기존 광학 현미경보다 훨씬 우수한 공간 분해능을 가짐을 증명했다.

본 연구교신 저자 중 한 명인 홍석철 교수와 박진성 박사는 “이번 연구는 형광 분자의 도움없이 오직 빛의 간섭 현상만을 이용해서 세포 내부의 다양한 미세 구조들을 관찰한 예로써, 향후 세포 내에서의 미토콘드리아 또는 리보좀 같은 소기관들의 확산 현상이나 바이러스의 세포막 침투 과정의 이해와 같은 다양한 생물학적 연구에 광범위하게 응용될 가능성을 제시했다는 점에서 큰 의의를 갖는 것”이라고 밝혔다.

이번 연구결과는 국제학술지 케미컬 사이언스(Chemical Science, IF 8.668)에 2월 9일 게재됐다.

 

연구 추가설명

논문명
Label-free and live cell imaging by interferometric scattering microscopy
(Chemical Science)


저자정보
Jin-Sung Park, Il-Buem Lee, Hyeon-Min Moon, Jong-Hyeon Joo, Kyoung-Hoon Kim, Seok-Cheol Hong, and Minhaeng Cho

연구내용 보충설명
■ 세포의 지질막 및 내부 소기관들로부터 산란되어 나오는 빛을 간섭시킴으로써 형광 분자의 도움없이 기존 광학 현미경의 분해능을 뛰어넘는 고해상도 세포 이미징이 가능함을 확인하였다.

기타사항
[연구 배경] 최근 빛의 회절 한계를 넘어 수십 나노 크기의 금속 입자 또는 생체 분자로부터 산란되는 빛의 신호를 감지할 수 있는 interferometric scattering (iSCAT) 현미경의 개발이 보고된 바 있으나, 세포의 미세 구조 관찰에 응용된 바는 없었다. 따라서, 본 연구진은 iSCAT 현미경의 새로운 응용 분야로서 고해상도 세포 이미징의 가능성을 확인하였다.

[어려웠던 점] iSCAT 현미경은 빛의 간섭 현상을 이용한 이미징 기법이기 때문에 주변 이물질들로부터 산란되어 들어오는 빛에 의해 심각한 영향을 받는다. 따라서, 세포 배양 슬라이드를 깨끗하게 준비하는 과정과, 그럼에도 불구하고 존재하는 광학적 노이즈 신호들로부터 실제 세포 이미지 신호를 구별하여 해석하는 과정에서 많은 어려움이 있었다.

[성과 차별점] 고전적인 방식의 간섭 현미경은 오래 전부터 개발되어 세포 이미징 연구에 이용되어 왔다. 본 연구는 이러한 간섭 현미경의 해상도를 획기적으로 개선하여, 기존 광학 현미경에서 관찰이 불가능했던, 세포 내부 소기관들을 구성하고 있는 지질막 구조를 포함한 미세 구조의 존재를 명확히 확인할 수 있다는 점에서 새로운 label-free 세포 이미징 기술의 지평을 열었다.

[향후 연구계획] iSCAT 세포 이미징은 기존 광학 현미경에서 관찰할 수 없었던 다양한 세포 내부 구조의 확인이 가능했지만, 단순히 굴절률의 차이에 따른 구별 방식이기 때문에, 구체적으로 어떤 세포 내 기관을 이미징한 것인지에 대한 정보를 획득할 수 없다. 향후 형광 이미징 시스템을 iSCAT 현미경에 결합으로써, 특정 목표 소기관들의 이미징 뿐 아니라 시공간 동적 변화 양상의 추적이 가능한 시스템을 구현하고자 한다.


[그림 1] iSCAT 현미경 시스템의 개략도. iSCAT 현미경에서는 세포를 구성하고 있는 지질막 또는 세포 내 소기관들로부터 산란되어 나오는 약한 빛의 신호를 세포가 부착되어 있는 유리 표면으로부터 반사된 강한 빛과 간섭시킴으로써 이미지를 획득한다.


[그림 2] 위 그림은 본 연구진이 개발한 iSCAT 현미경으로 획득한 살아 있는 세포의 부분 이미지들(D-F)을 위상차 현미경으로 획득한 이미지들(A-C)과 직접적으로 비교한 것이다. 위상차 현미경에서 보이는 세포핵의 경계와 내부 구조(A)가 iSCAT 이미징(D)에서는 빛의 간섭 무늬로 나타난다. 반면, 위상차 현미경에서는 잘 보이지 않는 세포 가장자리의 사상위족(B)은 iSCAT 이미징(E)에서 선명하게 드러난다. 또한, 위상차 현미경에서 비교적 평평하게 보이는 세포 가장자리 구조(C)는 iSCAT 이미징(F)에서 빛의 간섭으로 인해 (F) 줄무늬를 띠는 것으로 나타나 세포의 3차원적 구조를 예측해 볼 수 있게 한다.

 

 

http://www.ibric.org/myboard/read.php?Board=news&id=291585&SOURCE=6

 

 

파일 :