UNIST '시공간 분해능’ 갖춘 광학현미경 개발

UNIST 박정훈 교수팀
세포 주변 유체 흐름과 세포 미세구조 동시 관찰 성공
빛 진폭을 공간적으로 제어해 촬영 영역별 선택적 파장 조사

[그림 1] 한 장의 이미지 내에서 시·공간 분해능의 선택적인 강화가 가능한 Tunable SIM의 시뮬레이션 결과. 미세 구조를 가진 세포와 빠르게 움직이는 형광 비드(알갱이)를 포함한 유체의 시뮬레이션 모델. (a) 일반 와이드 필드(wide field) 이미징의 경우 유체의 흐름을 형광 비드를 이용해 간접적으로 관찰할 수 있으나 세포의 미세구조는 흐릿하게 보임. (b) 반면 SIM의 경우 세포의 미세 구조가 또렷이 보이나, 시간 분해능이 낮아 각각의 형광 비드의 이미징이 불가능함. (c) 개발된 현미경(Tunable SIM)은 유체의 흐름(형광비드의 움직임)과 초고해상도로 세포의 미세구조 변화를 동시에 관찰 가능함.

【파이낸셜뉴스 울산=최수상 기자】 UNIST 연구진이 살아있는 세포와 그 주변을 흐르는 혈액 등 움직이는 액체를 동시에 고화질로 관찰할 수 있는 즉, 시간분해능과 공간분해능이 동시에 가능한 광학현미경을 개발했다.

UNIST는 생명과학부 박정훈 교수팀이 구조화 조명 현미경(Structured Illumination Microcopy)의 시간 분해능과 공간 분해능을 한 이미지 내에서 제어하는 기법을 개발했다고 18일 밝혔다.

구조화 조명 현미경의 광원인 가시광선의 진폭을 조절해 영역별로 맞춤형 빛을 조사한 것이 핵심이다. 세포 안팎을 왕복하는 칼슘 이온의 움직임(시간분해능)과 칼슘 이온 때문에 생기는 세포의 변화(공간분해능)를 동시에 포착할 가능성이 열렸다.

광학현미경은 가시광선을 이용해 물질의 확대 이미지를 얻는 현미경이다.

구조화 조명 현미경(SIM)도 새로운 광학현미경 중 하나다. 그러나 이 현미경은 간접적으로 시편을 보는 방식이라 1장의 초고해상도 이미지를 얻는 데 복수의 이미지가 필요하기 때문에, 순간적 현상을 포착하는 데 어려움이 있다.

박정훈 교수 연구팀은 촬영하려는 영역의 특성에 맞춰 선택적으로 빛의 진폭을 제어하는 방식으로 기존 단점을 해결했다.

[연구진사진] 박정훈 교수(우측끝)와 강주헌 교수 연구팀. 가운데는 제1저자인 우태성 연구원

이를 통해 암세포를 배양하는 유체(액체)의 흐름과 그로 인해 발생한 세포의 미세 변화를 동시에 초고해상도로 얻는 데 성공했다.

짧은 순간을 포착해야 하는 유체 영역은 높은 시간분해능을 갖는 진폭 패턴을, 더 또렷한 이미지가 필요한 세포 부분은 초고해상도(공간 분해능)를 갖도록 하는 진폭 패턴의 빛을 쪼인 것이다. 일반 해상도로 빠르게 움직이는 대상을 관찰하거나, 초고해상도로 미세한 구조를 가진 영역을 관측하는 것은 가능했지만 한 화면에서 이를 동시에 측정하는 것은 처음이다.

또 이번 연구는 빛의 진폭을 10kHz 이상의 빠른 속도로(주파수) 하나의 공간에서 제어하는 광학 시스템에 기반하고 있어, 이를 응용해 초고속 촬영 시스템 구현이 가능하다.

[그림 2] Tunable SIM 현미경의 작동 모식도. 조사하는 빛의 진폭을 공간적으로 다르게 제어하여, 미세 구조를 관찰하고 싶은 영역에 한해서 정현파 패턴을, 나머지 영역에 대해서 평면파를 조사하게 되면, 한 이미지 내에서 시공간 분해능을 선택적으로 강화할 수 있게 된다.

박정훈 교수는 "기존 현미경으로는 관측 불가능했던 서로 다른 시·공간 스케일의 생명현상을 동일 현미경으로 한 이미지 내에 동시에 관찰했다는 점에서 의미 있는 연구"라며 "미세 유로 채널 관련 연구나 높은 시간분해능이 필요한 칼슘 신호 전달 등 각종 생명·물리 현상의 관측에 적용 가능할 것"으로 기대했다.

UNIST 생명과학부 강주헌 교수, 정수현 연구원, 안철우 연구원, 황병재 연구원이 참여한 이번 연구는 광학 분야의 국제 학술지인 옵티카 (Optica)에 10일자로 공개돼 오는 20일 정식 출판을 앞두고 있다.



[e-mail] 최수상 기자