2013년 1월 4일
미세 기술의 발전으로 과학자들은 미시 세계를 더욱 쉽게 탐구할 수 있게 되었습니다. 하지만 일반 현미경으로는 세포의 모습이 모두 비슷해 구별하기 어렵습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 과학자들은 유전자 변형 기술을 이용한 세포 변형, 염색을 이용한 세포 염색 등 다양한 방법을 개발해 왔습니다. 마침내 현미경으로 바라본 세포는 더 이상 단조로운 모습이 아니라 아름다운 광경을 보여줍니다.
우리가 물체 앞에 있을 때, 좋든 싫든 눈은 항상 같은 방식으로 정보를 수집합니다. 망막 세포가 광자를 포착하는 것이죠. 이 정보는 뇌로 전달되고, 뇌는 이를 영상으로 변환합니다. 만약 물체가 너무 작아서 광자의 반사가 너무 작으면, 인간의 눈은 그 구조를 볼 수 없습니다. 이럴 때 현미경 기술이 필요합니다. 본 논문에서 제시하는 이미지는 중요한 학술적 가치뿐만 아니라 뛰어난 예술적 아름다움도 지니고 있습니다. 이 이미지들은 생물학 연구에서 가장 진보된 광학 현미경 기술을 보여줍니다.
현재 광학 현미경은 전례 없는 변화를 겪고 있습니다. 과학자들은 새로운 형광 표지자와 유전자 공학 기술을 이용하여 조직 샘플을 변형함으로써 현미경으로 관찰하는 조직 샘플에 색을 입혀 새로운 발견의 문을 열었습니다. 이는 연구자들이 적극적으로 활용하는 새로운 기술입니다. 이 기술을 통해 쥐의 뇌 신경 하나하나가 다양한 색으로 선명하게 나타나므로, 복잡한 신경망 속에서 특정 축삭을 추적 분석하고 완전한 신경망 지도를 그릴 수도 있습니다. 이는 기존의 영상 기술로는 불가능했던 작업입니다.
현미경의 정확도 또한 향상되었습니다. 특정 단백질에 표시를 한 다음 현미경을 사용하여 그 단백질의 조직 내 활동을 관찰할 수 있으며, 세포 분열과 분화 과정의 모든 세부 사항을 한눈에 파악할 수 있습니다. 연구자들은 밝은 빛 아래에서 세포나 조직 내부의 순간적인 현상을 빠르게 포착하고, 어두운 환경에서 세포 내 미세한 생명 과정을 관찰할 수 있습니다. 마이크로 기술의 발전으로 이미지 획득 속도와 해상도 사이의 상충 관계가 해소될 것입니다.
현재 여러 현미경 기술은 가장 미세한 생물학적 구조까지도 관찰할 수 있으며 (많은 관찰 데이터가 축적되어 있음), 이러한 기술의 광범위한 적용은 생명의 본질을 이해하는 데 견고한 토대를 마련해 주었다.
복잡한 뇌: 캘리포니아 대학교 샌디에이고의 토마스 디링크(Thomas Deerinck)는 2광자 현미경(2-photon microscopy)을 사용하여 두께가 400μm에 불과한 쥐 소뇌 조직 샘플의 미세 구조를 촬영했습니다(위 사진 참조). 녹색은 푸르킨예 세포(Purkinje neuron), 빨간색은 성상교세포(glial cell), 파란색은 핵입니다. 하버드 대학교의 장 리베(Jean Rivet)는 공초점 현미경(confocal microscopy)을 사용하여 유전적으로 조작된 쥐의 뇌간 조직 절편(340μm)을 관찰했습니다. 유전자 변형으로 인해 쥐의 각 뉴런은 서로 다른 색을 나타냅니다(아래 참조). 뉴런에 서로 다른 색(즉, "브레인보우")을 부여함으로써 과학자들은 복잡한 신경망에서 단일 축삭의 방향을 관찰할 수 있습니다.
생쥐 내이의 조직 구조
공간이 좁고 분리하기 어려워 내이 구조를 관찰하는 것은 매우 어렵습니다. 노스캐롤라이나 윌밍턴 대학교의 소니아 피오트(Sonia pyott) 교수는 생쥐 내이의 유모세포(왼쪽 위)를 관찰했습니다. 이 세포들은 음파를 전기 신호로 변환하는 역할을 합니다. 사진에서 유모세포는 녹색으로, 유모세포의 세포벽은 빨간색과 파란색으로, 핵은 공초점 현미경으로 관찰했습니다. 워싱턴 대학교의 글렌 맥도널드(Glenn MacDonald) 교수도 비슷한 염색법을 사용하여 생쥐 내이 조직 구조를 공초점 현미경으로 관찰했습니다.
초파리의 근섬유
근육 세포는 질긴 근육 조직을 구성합니다. 위 이미지는 캘리포니아 대학교 샌디에이고의 토마스 데링크(Thomas Deerinck)가 촬영한 쥐 혀 근육의 단면입니다. 다음 사진은 독일 뮌스터 대학교의 헤르만 애벌리(Hermann Aeberli)의 손으로 촬영한 초파리의 확대된 근섬유 사진입니다. 유전적 변이 때문에 초파리의 근섬유는 불규칙하게 배열되어 있습니다(공초점 현미경).
염소 뼈 4개
지느러미와 염소 뼈: 두 사진은 척추동물의 신체에서 조밀한 조직 구조를 보여줍니다. 이스라엘 라마트간의 사무엘 실버만은 물고기 지느러미 뼈를 100배 확대하여 관찰했는데, 그 위에 얼룩덜룩한 무늬가 나타났습니다(광섬유 조명 기술 사용). 뼈 형성 과정에서 골밀도와 무기질 함량이 증가하는 변화를 관찰하기 위해, 플로리다주 탬파의 모펫 암센터의 마크 로이드와 노엘 클라크는 염소 뼈를 4배 확대했습니다(도표 참조, 히로노 현미경).
염소 뼈 4개
지느러미와 염소 뼈: 두 사진은 척추동물의 신체에서 조밀한 조직 구조를 보여줍니다. 이스라엘 라마트간의 사무엘 실버만은 물고기 지느러미 뼈를 100배 확대하여 관찰했는데, 그 위에 얼룩덜룩한 무늬가 나타났습니다(광섬유 조명 기술 사용). 뼈 형성 과정에서 골밀도와 무기질 함량이 증가하는 변화를 관찰하기 위해, 플로리다주 탬파의 모펫 암센터의 마크 로이드와 노엘 클라크는 염소 뼈를 4배 확대했습니다(히로노 현미경 도표 참조). 미세소관이 염색체(파란색) 주변에 형성되어 있는 것을 볼 수 있습니다.
콜럼비아 대학교의 얀 슈모란자(Jan Schmoranza) 교수가 혈청 결핍 처리를 한 세포의 세포막과 미세소관 구조(녹색)를 관찰한 사진입니다. 그래프에서 섬유아세포의 미세소관이 비정상적인 움직임을 보이는 것을 확인할 수 있습니다. 미세소관의 직경은 약 20nm인데, 일반적으로 세포막에 틈이 생기면 미세소관들이 그 부위에 모여들지만, 이 사진에서는 그렇지 않습니다. 듀크 대학교의 세르다르 툴루(U. serdar Tulu) 교수는 간기 세포의 138μm 폭의 세포막에서 염색체(파란색) 주변에 형성된 미세소관(노란색, 아래쪽)을 관찰했습니다.
이 사진들을 보니 유명한 물리학자 리처드 파인만이 '재미있는 이야기'에 대해 했던 말이 떠오릅니다. 파인만의 친구는 과학자들은 예술가들처럼 꽃의 아름다움을 깊이 인식하지 못하지만, 아름다운 꽃이라도 한동안 시들시들해지면 결국 재미없는 존재가 된다고 생각했다고 합니다. 파인만은 친구의 의견에 동의하지 않고 이렇게 말했다. "그 친구는 좀 우습군. 우선, 그 친구와 나, 그리고 내가 보는 것과 무슨 차이가 있지? 나는 그 친구처럼 미적 감각이 뛰어나지 않더라도 꽃의 아름다움을 감상할 줄 안다고 생각해. 세포 운동을 생각해 봐. 그 경이로움이 아름다움이 아니겠어? 꽃의 아름다움은 거시적인 형태에만 있는 게 아니야. 미시적인 세계, 그 내부 구조도 똑같이 매혹적이지. 꽃은 곤충들에게도 먹이가 되고, 곤충들도 색깔을 구별할 수 있다는 사실 자체가 매우 흥미로운데 말이야. 아름다운 꽃을 보면서 나는 이런 질문을 던지고 싶어. 하등 동물들도 꽃의 아름다움을 감상할 줄 아는 걸까? 왜 그들은 맛을 느낄 수 있는 걸까? 이런 흥미로운 질문들은 과학적 지식이 꽃을 더욱 신비롭고, 더욱 흥미롭고, 더욱 경외로운 존재로 만들어 줄 뿐이라는 것을 증명해 주지."
