단백질 1개 크기까지 볼 수 있는 광학현미경 개발(전자현미경 아님)
진짜 저는 이런 소식 전해드릴 때마다 설렙니다.
일단 세상에서 가장 작은 물체를 볼 수 있는 것은 전자현미경이죠.
전자 현미경은 빛 대신에 진공상태에서 전자의 움직임을 관찰하여 아주 작은 대상을 관찰하는 현미경입니다.
이런 현미경은 그 자체로 해상도가 아주 높습니다. 하지만 문제가 있죠. 실험실에서 사용하는 장비들은 너무 비싸다는 겁니다. 그리고 운용에 불편한 점이 많죠.
그런데 이번에 단백질 1개 크기까지 볼 수 있는 광학현미경이 개발되었다고 합니다. 어떻게 이런 일이 가능했는지, 한번 알아보겠습니다.
"현미경 계(界)에 민주주의 혁명이 일어났다."
최근 독일 연구팀이 발명한 현미경 기술을 두고 하는 말입니다.
싸고 평범한 광학 현미경으로도, 수십억원 이상의 값비싼 전자 현미경에 필적할 수 있는 해상도의 이미지를 관측할 수 있게 됐기 때문입니다.
이러한 발명으로 앞으로 과학이 얼마나 발전하게 될지 한번 상상해 보십시오.
예를 들어서 요즘 중국에서는 미화석이라고 해서, 아주 초기의 단세포 동물 등의 화석들이 나오고 있는데요. 이 광학현미경을 이용하면 엄청난 발견이 가능해질 것입니다.
22일 국제학술지 네이처(nature)에 따르면 독일 괴팅겐 대학병원 연구팀은 지난달 기존 광학 현미경의 한계를 깬 새로운 'ONE(one-step
nanoscale-expansion) 광학 현미경' 기술을 개발했습니다.
일반적 광학 현미경은 200나노미터(nm)보다 작은 물체를 관측할 수 없다고 합니다.
이런 한계를 극복하기 위해서 여러 우회적인 방법이 사용되어 왔는데요.
2014년 10nm 크기까지 정확히 관찰할 수 있는 광학 현미경 기술이 개발한 이들이 노벨 화학상을 받았습니다.
그들은 광학적 기술을 사용해 단백질에 부착된 형광 분자를 찾아내어 분해능을 높였습니다.
그 다음해인 2015년에는 미국 MIT에서 확장 현미경 기술을 개발했습니다.
그들은 기저귀에서 사용하는 화학물질을 사용해 세포 조직을 팽창시켜 서로의 거리를 떨어지도록 하여 20나노미터까지 해상도를 높이는 데 성공했습니다. 이 기술은 이미 세계 곳곳 실험실에서 사용되고 있습니다.
독일 연구팀은 이보다 훨씬 더 우수한 1나노미터까지 분해능을 높이는 기술을 개발했습니다.
이 정도면 수십억원대 이상의 비싼 저온 전자 현미경 정도의, 단백질 하나 하나의 모습을 확인하는 데에 충분합니다.
연구팀은 이를 위해서 우선 확장 현미경 기술의 아이디어를 활용했습니다.
단백질 샘플을 고정시킨 후 화학물질이 첨가된 물을 부어서 크기를 1000배 이상으로 부풀려 분자 단위로 떨어지도록 했다네요. 이어 열이나 효소를 사용해 단백질을 분해해 개별 조각들을 일정한 방향으로 확장시키는 방법도 결합했습니다.
우와... 정말 대단하네요. 망원경의 해상도를 높이는 방법에 한계가 있자, 시료에 적절한 처리를 가하여 관찰하게 만든 거네요. 이 역발상! 진짜 과학자들 대단합니다!
연구팀은 이같은 방법으로 신경 세포 분자인 'GABA 수용체'와 뇌에서 청각 신호 전달에 관여하는 것으로 알려진 오토펠린(otoferlin) 단백질을 관측했습니다. 이 결과로 나온 이미지는 단백질 구조 예측 인공지능(AI)인 구글 알파폴드(AlphaFold) 딥러닝 네트워크의 결과와 거의 흡사했습니다.
이로써 이 현미경의 신뢰성이 확보된 것이죠.
하지만 이것이 0.2나노미터 이하의 원자 단위에까지 근접한 분해능을 보이는 저온 전자현미경보다는 성능이 떨어집니다. 그러나 저온 전자현미경은 엄청나게 다루기 까다롭고 비용도 많이 들죠.
또한 전자현미경은 3차원 이미지를 얻을 수 있기 때문에 세포 내부에 존재하는 조직이나 기관의 상세한 이미지까지 볼 수 있습니다. 그러나 흑백 이미지만 가능하고 작동이 복잡하고, 죽은 유기체만 볼 수 있습니다. 고압 전류도 필요하고요, 또한 냉각 장치도 필요합니다.
방사선 위험은 덤입니다 ㅠㅠ
이에 따라 연구팀이 개발한 ONE 현미경 기술은 과학자들에게 보다 빠르고 쉽게 분자 단위 물체의 구조를 들여다 볼 수 있게 해줄 수 있는 혁명적 도구가 될 수 있습니다.
특히 중ㆍ저소득 국가의 많은 연구자들은 고성능 현미경에 대한 접근성 부족에 시달려 제대로 된 연구를 진행하지 못하고 있어 대체 수단으로 급격히 부상할 전망입니다. 뿐만 아니라 장비가 잘 갖춰진 선진국의 부유한 연구소에서 일하고 있지만 독립적인 연구를 하고 싶은 이들에게도 유용한 도구가 될 전망입니다.
이래서 이 현미경이 바로 과학의 민주화를 가져올 것으로 기대되는 이유입니다. 넘 대단하죠?
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