세포 돌기와 소포 움직임 한눈에…UNIST, 새 현미경 기술 개발

[울산=뉴시스] 구미현 기자 = 살아 있는 세포가 주변을 탐색하기 위해 뻗는 돌기와 세포 안에서 물질을 운반하는 작은 주머니의 움직임을 동시에 관찰할 수 있는 현미경 기술이 개발됐다. 세포의 이동과 물질 수송이 어떻게 이뤄지는지 규명해 암 전이나 혈관 재생 등 생명현상 연구에 도움이 될 것으로 기대된다.

울산과학기술원(UNIST) 바이오메디컬공학과 박정훈 교수팀은 빛을 비추는 깊이를 구역별로 조절해 여러 세포 구조를 한 화면에서 동시에 관찰할 수 있는 '가변형 전반사 형광현미경(Tunable TIRF)' 기술을 개발했다고 25일 밝혔다.

혈관 내피세포나 암세포는 필로포디아(filopodia)라는 가느다란 돌기를 뻗어 주변 환경을 탐색하고 다른 구조물에 부착한다. 이 과정에는 세포골격의 변화뿐 아니라 세포막 구성 성분과 단백질 등을 운반하는 소포의 움직임도 관여한다.

하지만 기존 현미경은 빛을 비추는 깊이에 따라 관찰할 수 있는 구조가 달라 여러 깊이에서 일어나는 움직임을 동시에 포착하기 어려웠다.

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 화면의 각 구역에 서로 다른 깊이의 빛을 비추는 기술을 개발했다. 이를 통해 바닥 가까이에 있는 소포와 위쪽으로 뻗은 세포 돌기를 한 화면에서 선명하게 관찰할 수 있다.

촬영 속도도 빨라졌다. 제1저자인 정윤돈 연구원은 "137~558나노미터(nm) 두께의 얇은 층을 비추는 빛과 세포 전체 높이를 비추는 빛을 한 화면의 서로 다른 구역에 동시에 적용할 수 있다"며 "같은 노출시간을 기준으로 두 깊이를 번갈아 촬영할 때보다 2배, 세 깊이를 번갈아 촬영할 때보다 3배 빠르게 기록할 수 있다"고 설명했다.

연구팀은 일반 형광현미경의 조명 경로에 디지털 미세거울 소자(DMD)와 공간 필터를 추가해 기술을 구현했다. 수많은 미세거울의 각도를 조절해 빛이 들어오는 방향을 바꾸고 관찰 깊이를 제어하는 방식이다. 미세거울 패턴을 초당 1440회 바꿀 수 있어 영상에 나타나는 불필요한 줄무늬와 얼룩도 줄였다.

사용 편의성도 높였다. 태블릿 화면에서 관찰할 세포 영역을 펜으로 나누고 구역별 조명 깊이를 지정하면 원하는 조건으로 촬영할 수 있다.

연구팀은 사람 탯줄 정맥에서 유래한 혈관 내피세포(HUVEC)를 살아 있는 상태로 관찰해 세포막의 움직임과 바닥 가까이에 있는 소포의 이동을 한 영상에 담았다. 자궁경부암 세포(HeLa)에서도 돌기의 흔들림과 세포막 주변 소포의 움직임을 초당 20장으로 동시에 촬영하는 데 성공했다.

박정훈 교수는 "관찰 대상 전체에 하나의 조명 방식만 사용할 수 있다는 현미경의 오랜 전제를 새로운 설계로 바꾼 연구"라며 "상처 회복과 암 전이 과정에서 나타나는 세포 이동과 물질 수송은 물론 세균 감염 등 다양한 생명현상을 이해하고 관련 치료제를 연구하는 데 활용할 수 있을 것"이라고 말했다.

이번 연구에는 UNIST 바이오메디컬공학과 강주헌·김하진 교수와 기초과학연구원(IBS) 기억 및 교세포 연구단 이상규 박사가 참여했다. 연구 결과는 광학 분야 국제학술지 '레이저 앤 포토닉스 리뷰(Laser & Photonics Reviews)'에 9월 22일 게재됐다. 연구는 한국연구재단과 정보통신기획평가원(IITP)의 지원을 받아 수행됐다.


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