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UNIST, 세포 주변 유체흐름·미세구조 동시 관찰 가능한 광학현미경 개발
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UNIST, 세포 주변 유체흐름·미세구조 동시 관찰 가능한 광학현미경 개발
  • 유민정 기자
  • 승인 2020.08.18 12:01
  • 댓글 0
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시간분해능, 공간분해능 한 이미지 내에서 제어하는 기법 개발
UNIST 박정훈 교수팀, 빛 진폭 공간적 제어 촬영 영역별 선택적 파장 조사
광학분야 국제 학술지 옵티카 논문 게재
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 /이미지=UNIST 제공

국내 연구진이 세포 주변 유체의 흐름과 세포의 변화를 동시에 관찰해 한 이미지 내에서 초고속촬영과 초고해상도를 모두 찍을 수 있는 광학현미경을 개발했다. 

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

연구팀은 세포 안팎을 왕복하는 칼슘 이온의 움직임(시간분해능)과 칼슘 이온 때문에 생기는 세포의 변화(공간분해능)를 동시에 포착할 가능성이 열렸다고 설명했다. 

전자현미경보다 해상도는 낮지만 세포와 같이 살아있는 대상을 3차원으로 관찰할 수 있는 광학현미경은 가시광선을 이용해 물질의 확대  이미지를 얻는 현미경으로 계속해서 새로운 개발이 이뤄지고 있다.

SIM도 새로운 광학현미경 중 하나로, 방충망과 같이 작은 무늬로 이뤄진 구조체 두 장을 겹친 상태로 움직이면 표면에 어른거리는 '간섭무늬'가 생기는데 이런 간섭 현상을 이용한 현미경이다. 

세포의 미세 구조 변화의 초고해상도 이미지. (a)초고해상도 (SIM)와 일반 해상도 (widefield)로 표현된 세포와 주변의 유체 흐름 매핑 결과(빨간 화살표)와 노란 선 내부를 확대한 결과(b,c).
세포의 미세 구조 변화의 초고해상도 이미지. (a)초고해상도 (SIM)와 일반 해상도 (widefield)로 표현된 세포와 주변의 유체 흐름 매핑 결과(빨간 화살표)와 노란 선 내부를 확대한 결과(b,c) /이미지=UNIST 제공

다른 초고해상도 광학현미경과 달리 복잡한 시편 준비 절차가 필요 없고, 강한 빛에 의한 시편 손상이 적다. 하지만 간섭무늬를 통해 간접적으로 시편을 보는 방식이라 1장의 초고해상도 이미지를 얻는 데 복수의 이미지가 필요하기 때문에 순간적 현상을 포착하는 데 어려움이 있다고 한다. 

박 교수 연구팀은 촬영하려는 영역의 특성에 맞춰 선택적으로 빛의 진폭을 제어하는 방식으로 이러한 문제를 해결했다고 밝혔다.

이를 통해 암세포를 배양하는 유체의 흐름과 그로 인해 발생한 세포의 미세 변화를 동시에 초고해상도로 얻는 데 성공했다고 한다. 

박정훈 교수(우측끝)와 강주헌 교수 연구팀. 가운데는 제1저자인 우태성 연구원 /사진=UNIST 제공

연구팀은 "일반 해상도로 빠르게 움직이는 대상을 관찰하거나, 초고해상도로 미세한 구조를 가진 영역을 관측하는 것은 가능했지만 한 화면에서 이를 동시에 측정하는 것은 처음"이라고 했다. 

현재까지 당연하게 생각되었던 근본 개념(렌즈를 이용해 사진을 찍으면 사진 전체가 해당 렌즈에 의해 정해지는 동일한 영상 품질을 갖는다는)을 뒤엎을 수 있는 광학 시스템을 제안하고 이를 구현하였다고 한다.

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. /이미지=UNIST 제공

제1 저자인 생명과학부 우태성 연구원은 “빛의 진폭을 하나의 공간 안에서 조절 할 수 있으므로 시간 분해능이 필요한 암세포 주변은 평면파를, 공간 분해능이 필요한 세포 부분에 정현파(sine wave)를 조사해 초고해상도 이미지를 얻을 수 있었다”라고 설명했다.

또 이번 연구는 빛의 진폭을 10 kHz 이상의 빠른 속도로(주파수) 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.

미세 유로 채널 내에 배양된 세포와 주변을 흐르는 유체 흐름의 삼차원 분포. (a) SIM 이미지 획득을 위해 정현파 패턴을 세포에만 조사하고 나머지 영역에 서 빠른 속도로 흐르고 있는 형광 비드를 측정한 결과. (b) 형광 비드의 위치와 속도를 추출한 결과. (c) 형광 비드의 위치와 속도를 바탕으로 재구성한 유체 흐름의 3차원 분포. /이미지=UNIST 제공

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.

이번연구는 UNIST 생명과학부 강주헌 교수, 정수현 연구원, 안철우 연구원, 황병재 연구원이 함께 참여했으며, 연구수행은 한국연구재단(NRF)과 포스코청암재단의 지원을 받아 이뤄졌다.

또한 광학 분야 국제 학술지 옵티카 (Optica)에 8월 10일자로 'Tunable SIM: observation at varying spatiotemporal resolutions across the FOV'라는 논문명으로 공개돼 20일 정식 출판을 앞두고 있다.


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