기초과학연, 고해상도 비표지 간섭산란 현미경 개발

국내 연구진이 살아있는 세포 속에서 활발하게 이동하고 있는 '소포'(vesicle)의 움직임을 선택적으로 추적할 수 있는 현미경을 개발했다.

연구진은 이 현미경으로 세포 내에서 물질을 운송하는 ‘소포’가 출퇴근 길 도로 정체 같은 교통 체증을 겪고 있다는 것을 확인했다.

기초과학연구원(IBS)은 분자 분광학 및 동력학 연구단 조민행 단장과 홍석철 교수 연구팀이 살아있는 세포 속에서 활발하게 이동하고 있는 소포의 움직임만을 선택적으로 추적할 수 있는 '고해상도 비표지 간섭산란 현미경'을 개발했다고 15일 밝혔다.

얇은 지질막으로 둘러싸인 작은 주머니 모양의 소포는 호르몬, 효소, 신경 물질 등을 그 속에 담아 이들이 필요한 세포 내 적시 적소에 배달하는 일종의 우편배달부다.



소포는 우편물 오배송처럼 소포가 엉뚱한 곳에 물질을 배달하거나 운송이 지연되면 다양한 질환이 발생할 수 있다.

지금까지 소포의 수송 원리, 소포와 세포 소기관의 상호작용 분석 등 연구는 형광 현미경을 주로 사용했다.

하지만 형광 현미경을 이용하면 형광 표지된 특정 소포들의 수송 과정만 관찰할 수 있고 형광 신호가 유지될 수 있는 제한된 시간 내에서만 관찰할 수 있는 한계가 있었다.

세포 속의 복잡한 골격망을 따라 수송되는 수많은 소포의 전체적인 수송 현상을 시각화하는 것이 어려웠다.

이에 IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단은 자체 개발한 간섭산란 현미경을 이용해 복잡한 세포 속에서 이동하고 있는 소포들의 이동 궤적을 장시간 정밀하게 추적하는 데 성공했다.

연구진은 30분이 넘는 장시간 동안 세포의 핵 주변에서부터 라멜리포듐으로 이어지는 영역에서 100개 이상 소포들의 이동 궤적을 동시에 추적했다.

추적 영상은 초당 50Hz의 영상 촬영 속도(1초에 50장의 이미지 재생)로 얻었다. 이 과정에서 획득한 소포 위치 정보를 이용해 세포 내부의 고속도로라고 할 수 있는 골격망의 공간적 분포를 고해상도로 재구성하는 데도 성공했다.

연구진은 기존 연구에서 알려진 바 없는 소포의 새로운 수송 특성도 확인했다.

박진성 IBS 연구원(제1 저자)은 “매우 복잡하고 미시적 세계인 세포 속 환경에서 대도시 사람들이 도로 위에서 일상적으로 경험하는 교통 체증 현상이 유사하게 나타났다”며 “세포가 트래픽 문제를 극복하기 위해 채택하는 효율적 수송 전략을 찾아 생명현상과 어떻게 연관되는지 규명해 볼 계획”이라고 말했다.

연구진은 개발한 현미경에 형광 표지된 세포 속 분자를 관찰할 수 있는 형광 현미경을 결합한 관찰 도구도 개발, 고속‧고해상도 간섭산란 영상 기법에 화학선택적 형광 영상 기법을 접목해 관찰 정밀도를 한층 더 높였다.

홍석철 교수는 “생명현상을 고감도‧고속‧장기간 관찰하는 새로운 기술을 개발함으로써 생명현상을 분자들의 거동 관점에서 근본적으로 이해할 수 있게 됐다”며 “전주기적 추적 관찰을 통해 의학적으로 큰 파급력을 갖는 발견이 가능해질 것”이라고 말했다.

조민행 단장은 “살아있는 세포를 형광에 의존하지 않고 초고분해능으로 관찰하는 데 성공함으로써 생명현상을 미시적 관점에서 생생하게 밝혀낼 새로운 전기를 마련했다”고 했다.

이번 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스' 온라인에 지난 14일 게재됐다.

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