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비표지 적응광학이 적용된 단일분자 위치결정 현미경의 작동방식 모식도. |
[대학저널 온종림 기자] 고려대학교는 물리학과 최원식 교수연구팀과 화학과 심상희 교수 연구팀이 초고심도 초고해상도 현미경 기술 개발에 성공했다고 27일 밝혔다.
초고해상도 형광 현미경의 등장은 회절 한계 분해능을 뛰어넘어 가시광선을 이용해 개별 생체 분자를 직접 관찰할 수 있게 만들었다. 특히 단일분자 위치결정 현미경은 대표적인 초고해상도 형광 현미경 기법으로 간단한 광학 셋업으로 높은 해상도를 쉽게 얻을 수 있다.
그러나 단일분자 위치결정 현미경은 샘플의 수차에 의해 이미지 품질이 쉽게 저하되는 문제가 있다. 근본적인 원인은 수집되는 형광 신호가 단일분자에서 방출되기 때문에 매우 약하기 때문이다. 그로 인해 샘플 내부의 산란이나 수차에 의해 이미지가 쉽게 왜곡되어 측정이 어렵다.
연구팀은 비표지 방식의 적응광학 기술인 CLASS(closed-loop accumulation of single-scattering) 현미경을 사용해 생체 조직에 의한 수차를 측정하고 보정했다. 이를 통해, 단일분자 위치결정 현미경이 생체 조직의 깊은 부분에서도 최적의 성능을 발휘하도록 만들었다.
작동 방식은 우선 간섭계 기반의 반사 현미경을 사용해 특정 깊이에서 조명의 입사각을 바꾸면서 샘플의 반사 이미지를 기록한다. 이후 이렇게 얻은 반사 이미지에 CLASS 알고리즘을 적용해 수차를 찾아낸다.
다음 단계에서는 이 수차의 보정 패턴을 형광 경로에 설치된 공간 광변조기에 띄운다. 이렇게 하면 공간 광변조기에서 반사되는 형광 빔은 수차가 보정된 상태로 카메라에 도달한다. 이렇게 수집된 수차 보정된 단일분자 형광 이미지를 분석하여 초고해상도 형광 이미지를 생성한다.
수차 보정을 통해 초고해상도 형광 현미경의 성능을 높이는 방법들은 이미 여러 종류가 개발됐다. 하지만 기존의 방법들은 모두 단일분자 형광 이미지를 수집해 이미지 퀄리티를 향상시키는 방식이었다.
이에 따라 심한 수차로 인해 단일분자 이미지가 일정 수준 이상 왜곡되면 형광 이미지 자체의 측정이 불가능해 수차 측정에 제한이 있었다. 반면에 연구팀은 형광이 아닌 생체조직의 반사 이미지를 이용해 수차를 측정함으로써 이 문제를 해결했다.
이런 강점을 바탕으로 연구팀은 얇게 절단하지 않은 온전한 지브라피시 내부에서 여러 구조들의 초고해상도 이미지를 얻는 데 성공했다. 연구팀의 방법은 위치결정이 되지 않을 만큼 심하게 왜곡된 형광분자의 이미지를 수차 보정으로 복원하여 위치결정된 형광분자 개수를 최대 37배까지 증가시켰다. 이러한 강력한 성능을 바탕으로 30 나노미터 수준의 해상도로 100 마이크로미터 이상의 깊이까지 이미징에 성공했다.
논문의 제1저자인 박상현 학생은 “이번 연구는 단일분자 위치결정 현미경의 고질적인 문제였던 이미징 깊이의 한계를 적응광학을 통해 극복함으로써, 기존에는 조직 절편에서만 가능했던 초고해상도 형광 이미징을 지브라피시 같은 동물 모델에서도 활용할 수 있게 됐.”라고 밝혔다.
심상희 고려대 교수는 "이번 연구가 초고해상도 이미징의 적용 범위를 확장시킴으로써 유전학과 발달 생물학, 신경 생물학 등의 다양한 분야에 큰 도움을 줄 것으로 기대된다"고 설명했다.
이번 연구성과는 권위 학술지인 네이처 커뮤니케이션즈에 독일 현지시간 7월 13일에 온라인 게재됐다.
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