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[표지로 읽는 과학] 초파리 뇌 속 깊은 곳까지 분자 단위로 본다

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2019년 01월 20일 09:00 프린트하기

사이언스 제공
사이언스 제공

국제학술지 사이언스는 17일 그물망처럼 촘촘히 가지가 뻗은 듯한, 언뜻 봐서는 무엇인지 알 수 없는 사진을 표지에 실었다. 사진은 초파리의 뇌 속을 나노미터(㎚, 10억분의 1m) 단위까지 확대한 것이다. 초파리의 뇌는 수천 개의 단백질로 단백질 하나의 1000만 배 이상 크기의 뇌를 이룬다.

 

뇌의 특성을 알아내려는 연구들은 단백질 하나하나까지 세세하게 보이는 현미경이 필요하다. 에드워드 보이든 미국 매사추세츠공대(MIT) 생물공학과 교수와 에릭 베치그 미국 하워드휴즈의학연구소(HHMI) 교수는 초파리의 뇌 전체를 분자까지 비교할 수 있도록 3차원 이미지로 영상화하는 데 성공했다.

 

크기가 수 나노미터(㎚)에 불과한 분자의 모습을 고속으로 포착하는 기술은 이전에는 없던 것이다. 다양한 현미경 기술이 활용돼  왔지만 각자 단점이 뚜렷했다. 전자 현미경(EM)은 ㎚ 해상도를 갖지만 단백질 종류를 구분하지 못하고 여러 샘플을 촬영하는 속도가 늘다. 공초점 형광현미경은 형광 분자를 특정 단백질에 달아 단백질을 분류할 수 있지만 마이크로미터(㎛, 100만분의 1m)까지 볼 수 있다. 베치그 교수에게 2014년 노벨 화학상을 안겨준 초고해상도 형광현미경은 빛을 계속 쪼이는 방식이라 형광 분자가 형광을 잃는 표백문제가 있다.

 

연구팀은 문제를 해결하기 위해 두 기술을 결합했다. 하나는 확장 현미경(ExM) 기법이다. 현미경의 배율을 늘리는 대신 조직을 물에 불려 키워 보는 것이다. 샘플에 하이드로겔을 주입하고 불리면 조직이 본래의 모양은 유지한 채 4배가량 커진다. 다른 하나는 격자 광시트 현미경(LLSM) 기법이다. 조직의 위아래로 얇은 광시트를 고속으로 반복해 발사해 3차원 형광 모습을 측정하는 기법이다.

 

뇌 조직을 잘게 찢어 3일에 걸쳐 영상화하고 영상 조각을 다시 맞춘 결과 연구팀은 가로 60㎚, 세로 60㎚, 높이 90 ㎚ 분해능을 가진 뇌 전체의 영상을 확보할 수 있었다. 수상 돌기의 시냅스 단백질, 시냅스 옆 도파민활성 뉴런의 밀집도 등을 세세하게 관찰할 수 있는 전체 지도가 완성된 셈이다.

 

 

 

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