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[표지로 읽는 과학]세포를 완전한 3D로 본다

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[표지로 읽는 과학]세포를 완전한 3D로 본다

2020.01.19 06:00
사이언스 제공
사이언스 제공

국제학술지 ‘사이언스’는 17일 푸른색 물결이 속에 가득한 동그란 젤리 같은 물체를 표지에 담았다. 오돌토돌한 회색 바닥 위에 올려져 있는 이 물체는 광학현미경으로 찍어 3차원(3D) 영상으로 합성한 세포의 모습이다. 바닥은 전자현미경(EM)으로 촬영한 세포의 단면도다. 에릭 베치그 하워드휴즈의학연구소 교수와 해럴드 헤스 교수 공동연구팀은 광학현미경과 전자현미경의 3D 영상을 합쳐 세포 속 모습을 3D로 자세히 들여다보는 새로운 현미경을 개발하는 데 성공했다.

 

광학현미경은 형광 분자를 단백질에 붙여 투명한 세포 속 단백질을 관찰한다. 살아있는 세포를 볼 수 있을 뿐 아니라 세포 전체를 빠르게 볼 수 있다. 베치그 교수가 개발해 2014년 노벨 화학상을 받은 초고해상도 형광현미경은 수십 나노미터(㎚·10억 분의 1m) 해상도까지 자세하게 볼 수 있다. 하지만 광학 현미경은 1만 개가 넘는 단백질을 가진 세포 속에서 형광 분자를 붙인 몇 개의 단백질만 볼 수 있다. 세포 속에서 단백질끼리 어떤 상호작용을 하는지 이해하기는 어렵다.

 

전자현미경은 세포를 얇게 잘라낸 후 전기가 통하는 물질로 코팅하고 그 위에 전자를 쏘아 세포의 특성을 파악한다. 분자 크기까지 분간할 수 있는 해상도가 장점이다. 하지만 세포를 일일이 잘라내는 과정에서 세포가 망가지기 쉽고, 수십 마이크로미터(㎛·100만 분의 1m) 크기의 세포를 한번에 조망하기 어렵다는 단점이 있다.

 

연구팀은 두 현미경을 조합하는 기술을 개발했다. 우선 고압에서 세포를 동결시킨다. 세포의 활동을 급격하게 멈추고 얼리는 과정에서 얼음이 생기는 걸 막아 세포에서 일어나던 일을 그대로 볼 수 있다. 이후 세포를 절대영도보다 10도 높은 온도에서 초고해상도 형광 현미경으로 관찰해 3D 영상을 만든다. 그런 다음 새롭게 개발된 전자현미경에 세포를 놓는다. 이 전자현미경은 이온 빔을 쏘아 세포를 한층씩 깎아 내려가며 각 층의 영상을 찍고 아를 다시 합성해 3D 영상을 만든다.

 

광학현미경과 전자현미경으로 찍은 3D 영상을 겹치면 세포 속에서 일어나는 일을 속속들이 볼 수 있다. 연구팀은 이 기술을 활용해 세포에서 염색질을 만드는 과정과 뉴런이 생성되며 서로 달라붙는 과정, 세포에서 화물을 운반하는 ‘엔도솜’이 움직이는 모습 등 지금까지 볼 수 없었던 장면을 포착하는 데 성공했다. 헤스 교수는 “이미 수많은 관심을 받고 있다”며 “세계에는 수많은 연구가 필요한 세포가 너무 많다”고 말했다.

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