UNIST, 한번 관찰로 두가지 결과 동시에 보는 새로운 광학현미경 개발
상태바
UNIST, 한번 관찰로 두가지 결과 동시에 보는 새로운 광학현미경 개발
  • 김의철 기자
  • 승인 2020.08.18 16:20
  • 댓글 0
이 기사를 공유합니다

- UNIST 박정훈 교수팀, 세포 주변 유체 흐름(고속촬영)과 세포 미세구조 '고해상도' 동시 관찰 성공
- 진폭을 공간적으로 제어해 촬영 영역별 선택적 파장 조사 , 옵티카(Optica) 논문 게재
[사진=UNIST]
Tunable SIM 현미경의 작동 모식도 [사진=UNIST]

살아있는 세포와 그 주변을 흐르는 혈액과 같은 유체를 동시에 고화질로 관찰 할 수 있게 됐다.

UNIST는 정지된 화면을 정밀하게 관찰하는 능력인 ‘공간 분해능’과 물체의 움직임을 잘게 쪼개 관찰하는 ‘시간 분해능’을 모두 갖춘 광학현미경이 개발됐다며 18일 이같이 밝혔다.

박정훈 UNIST 생명과학부 교수팀은 구조화 조명 현미경의 시간 분해능과 공간 분해능을 한 이미지 내에서 제어하는 기법을 개발했다. 구조화 조명 현미경의 광원인 가시광선의 진폭을 조절해 영역별로 ‘맞춤형’ 빛을 조사한 것이 핵심이며, 이번 연구로 초고속 이미징 카메라의 최대 이미징 가능시간을 대폭 향상시킬 수 있게 됐다. 

또한 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 얻는다. 전자현미경보다 해상도는 낮지만, 세포처럼 살아있는 대상을 3차원으로 관찰할 수 있다. 원자 단위까지 구석구석 살피는 전자현미경이 있음에도 불구하고 새로운 광학현미경이 끊임이 개발되는 이유다.

구조화 조명 현미경(SIM)도 새로운 광학현미경 중 하나다. 방충망과 같이 작은 무늬로 이뤄진 구조체 두 장을 겹친 상태로 움직이면 표면에 어른거리는 ‘간섭무늬’가 생기는데, SIM은 이러한 간섭 현상을 이용한 현미경이다.

물질에 조사하는 빛의 파장 형태와 만들어진 간섭무늬의 형태를 알면 이를 수학적으로 분석해 물질의 미세구조를 볼 수 있다. 다른 초고해상도 광학현미경과 달리 복잡한 시편 준비 절차가 필요 없고, 강한 빛에 의한 시편 손상이 적다.

하지만 간섭무늬를 통해 ‘간접적’으로 시편을 보는 방식이라 1장의 초고해상도 이미지를 얻는 데 복수의 이미지가 필요해 순간적 현상 포착에는 어려움이 있다.

박정훈 교수 연구팀은 촬영하려는 영역의 특성에 맞춰 선택적으로 빛의 진폭을 제어하는 방식으로 이러한 문제를 해결했다.

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 선명한 이미지가 필요한 세포 부분은 초고해상도(공간 분해능)를 갖도록 하는 진폭 패턴의 빛을 쪼인 것.

세포의 미세 구조 변화의 초고해상도 이미지 [사진=UNIST]
세포의 미세 구조 변화의 초고해상도 이미지 [사진=UNIST]

일반 해상도로 빠르게 움직이는 대상을 관찰하거나, 초고해상도로 미세한 구조를 가진 영역을 관측하는 것은 가능했지만 한 화면에서 이를 동시에 측정하는 것은 처음이다.

제1 저자인 우태성 연구원은 “빛의 진폭을 하나의 공간 안에서 조절 할 수 있으므로 시간 분해능이 필요한 암세포 주변은 평면파를, 공간 분해능이 필요한 세포 부분에 정현파를 조사해 초고해상도 이미지를 얻을 수 있었다”고 설명했다.

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

물체의 움직임을 ‘슬로우 모션’으로 촬영하는 초고속 촬영 시스템의 경우 촬영속도인 주파수와 내장메모리 크기에 따라 촬영 가능한 시간이 정해지는데 이 시스템을 응용할 경우 기존 초고속 촬영 대비 촬영 가능한 시간이 길어진다.

[사진=UNIST]
박정훈 교수(맨 우측)와 강주헌 교수 연구팀, 가운데는 우태성 연구원 [사진=UNIST]

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.

[사진=UNIST]
강주헌 교수 [사진=UNIST]

강주헌 UNIST 생명과학부 교수, 정수현 연구원, 안철우 연구원, 황병재 연구원이 참여한 이번 연구는 광학 분야의 저명한 국제 학술지인 옵티카에 지난 10일자로 공개돼 오는 20일 정식 출판을 앞두고 있다.

연구수행은 한국연구재단(NRF)과 포스코청암재단의 지원을 받아 이뤄졌다.

김의철 기자  real@greened.kr

▶ 기사제보 : pol@greened.kr(기사화될 경우 소정의 원고료를 드립니다)
▶ 녹색경제신문 '홈페이지' / '페이스북 친구추가'

댓글삭제
삭제한 댓글은 다시 복구할 수 없습니다.
그래도 삭제하시겠습니까?
댓글 0
댓글쓰기
계정을 선택하시면 로그인·계정인증을 통해
댓글을 남기실 수 있습니다.