2004년 1월 13일
미세 기술의 발전으로 과학자들은 미시 세계에 더욱 쉽게 접근할 수 있게 되었습니다. 하지만 일반 현미경으로는 세포의 모습이 똑같아 구분하기 어렵습니다. 이를 위해 과학자들은 다양한 방법을 고안해 냈습니다. 유전자 조작 기술을 이용하여 세포를 변형하거나, 염료를 이용하여 세포를 염색하는 등… 마침내 현미경으로 볼 때 세포는 더 이상 단조롭지 않고 아름다운 풍경으로 나타납니다.
물체 앞에서 우리가 좋아하든 싫어하든, 눈은 항상 같은 방식으로 정보를 수집합니다. 바로 망막 세포가 광자를 포착하는 것입니다. 이 정보는 뇌로 전달되고, 뇌는 이를 사진으로 변환합니다. 물체가 너무 작으면 반사되는 광자가 너무 작아 사람의 눈으로는 그 구조를 볼 수 없습니다. 이때 우리는 현미경 기술을 활용해야 합니다. 이 논문은 중요한 학술적 가치뿐만 아니라 뛰어난 예술적 아름다움을 지닌 사진을 보여줍니다. 이러한 이미지는 생물학 연구에서 가장 진보된 광학 현미경 기술을 보여줍니다.
현재 광학 현미경은 전례 없는 변화를 겪고 있습니다. 과학자들은 새로운 형광 마커와 유전자 공학 기술을 사용하여 조직 샘플을 변형하고, 현미경으로 조직 샘플을 관찰하여 다채로운 색상을 구현함으로써 "발견"으로 이어지는 문을 열었습니다. 이는 연구자들이 도입한 새로운 기술입니다. 이 기술을 통해 각 마우스 뇌 신경은 다양한 색상을 띠고 읽기 쉬워졌으며, 특정 축삭 돌기의 신경망 추적 분석의 복잡성을 파악하고 완전한 신경망 매핑을 도출할 수 있습니다. 기존 이미징 기술로는 이러한 작업을 완료하는 것이 불가능했습니다.
현미경의 정확도 또한 향상되었습니다. 특정 단백질에 표시를 한 후 현미경을 사용하여 조직 내에서의 활동, 세포 분열 및 분화 과정의 모든 세부 사항을 관찰할 수 있으며, 모든 것을 한눈에 파악할 수 있습니다. 연구자들은 밝은 빛 아래에서 세포나 조직 내에서 발생하는 순간적인 현상을 빠르게 포착하고, 약한 빛 아래에서도 세포 내 미세한 생명 과정을 관찰할 수 있습니다. 미세 기술의 발전으로 이미지 획득 속도와 해상도 간의 모순이 해소될 것입니다.
현재, 여러 가지 미시적 기술을 이용하면 가장 미묘한 생물학적 구조까지도 관찰할 수 있으며(수많은 관찰 데이터에서 처리 과정이 관찰됨), 이러한 기술을 널리 적용하면 우리가 생명의 본질을 이해하는 데 튼튼한 기초가 마련됩니다.
복잡한 뇌: 캘리포니아 대학교 샌디에이고 캠퍼스의 토마스 디링크(Thomas Deerinck)는 2광자 현미경(2-photon microscopy)을 사용하여 400μm 두께의 미세 구조를 가진 생쥐 소뇌 조직 샘플(위 사진)을 촬영했습니다. 녹색은 푸르키네 세포(Purkinje neuron), 빨간색은 성상세포(glial cell), 파란색은 핵입니다. 하버드 대학교의 장 리벳(Jean-Livet)은 공초점 현미경(microscopy confocal)을 사용하여 유전자 조작 생쥐 뇌간 조직 절편(340μm)을 촬영했습니다. 유전자 변형의 결과, 생쥐의 각 뉴런은 서로 다른 색상을 나타냅니다(아래 참조). 뉴런에 서로 다른 색상(즉, "브레인보우")을 부여함으로써 과학자들은 복잡한 신경망에서 단일 축삭의 방향을 관찰할 수 있게 될 것입니다.
마우스 내이의 조직 구조
공간이 좁고 분리하기 어렵기 때문에 내이 구조 관찰이 매우 어렵습니다. 노스캐롤라이나 대학교 윌밍턴 캠퍼스의 소냐 피오트(Sonja Pyott)는 생쥐 내이의 유모세포(왼쪽 위)를 촬영했습니다. 이 세포들은 음파를 전기 펄스 신호로 변환하는 기계적인 방법을 사용합니다. 사진에서 유모세포는 녹색이고, 유모세포의 세포들은 빨간색과 파란색이며, 그 뒤에 핵이 있습니다(공초점 현미경 기법). 워싱턴 대학교의 글렌 맥도날드(MacDonald Glen)는 유사한 염색법을 사용하여 생쥐 내이의 조직 구조를 촬영했습니다(공초점 현미경 기법).
초파리의 근섬유
근육 세포는 단단한 근육 조직을 구성합니다. 위 사진은 캘리포니아 대학교 샌디에이고 캠퍼스의 토마스 디링크(Thomas Deerinck)가 촬영한 생쥐의 혀 근육 단면입니다. 아래 사진은 독일 뮌스터 대학교의 헤르만 에버리(Aberle Hermann)의 손 사진으로, 초파리의 비대한 근섬유를 보여줍니다. 유전적 변이로 인해 초파리의 근섬유는 무질서하게 보입니다(공초점 현미경).
염소뼈 4번
지느러미와 염소 뼈: 척추동물의 치밀한 조직 구조를 보여주는 두 장의 사진. 이스라엘 라마트간, 사무엘 실버만(Samuel Silberman)은 물고기 지느러미 뼈를 100배 확대하여 관찰했고, 그 위에 얼룩덜룩한 가을이 드리워져 있었습니다(광섬유 조명 기술을 사용). 골 형성 변화를 관찰하기 위해 플로리다주 탬파 모펫 암센터의 마크 로이드(Mark Lloyd)와 노엘 클라크(Noel Clark)는 염소 뼈를 4배 확대했습니다(히로노 현미경 사진 참조).
염소뼈 4번
지느러미와 염소 뼈: 척추동물의 치밀한 조직 구조를 보여주는 두 장의 사진. 이스라엘 라마트간, 사무엘 실버만(Samuel Silberman). 샤무엘 실버만(Samuel Silberman)은 물고기 지느러미 뼈를 100배 확대하여 그 위에 얼룩덜룩한 가을을 올려놓았습니다(광섬유 조명 기술 사용). 골 형성 변화를 관찰하기 위해 플로리다주 탬파 모펫 암센터의 마크 로이드(Mark Lloyd)와 노엘 클라크(Noel Clark)는 염소 뼈를 4배 확대했습니다(히로노 현미경 사진 참조). 미세소관은 염색체(파란색) 주위에 형성됩니다.
컬럼비아 대학교의 얀 슈모란자(Sch-moranzer Jan)는 혈청 기아 처리된 세포의 세포막과 미세소관(녹색)의 구조를 보여줍니다. 그래프에서 섬유아세포의 미세소관은 비정상적인 행동을 보였습니다. 미세소관의 직경은 약 20nm이며, 일반적으로 세포막에 틈이 생기면 미세소관들이 틈에 모이게 되지만, 실제로는 그렇지 않습니다. 세포 간기(interphase)에서, 듀크 유-세르다르 툴루(U. serdar Tulu)는 138μm 폭의 세포벽에서 염색체(파란색)를 포획하여 미세소관(아래 노란색)을 형성했습니다.
이 사진들을 보면, 이야기 속 "재미"에 나오는 유명한 물리학자 리처드 파인만(리처드 파인만)이 떠오르지 않을 수 없습니다. 파인만의 친구는 과학자들이 꽃의 아름다움을 예술가처럼 깊이 인식하는 것이 아니라, 아름다운 꽃들이 6시와 7시에 피어 결국에는 재미없는 것으로 변한다고 생각했습니다. 파인만은 친구의 의견에 동의하지 않았습니다. 그는 이렇게 말했습니다. "그는 정말 좀 웃기는 사람인 것 같아요. 우선, 그와 저, 그리고 제가 보는 것 사이에는 어떤 차이가 있을까요? 비록 제가 그와 같은 미적 훈련을 받지는 않았지만, 꽃의 아름다움을 감상할 줄 안다고 생각합니다. 세포 운동에서 그 당혹스러움이 아름다움이 아니라고 생각해 봅시다. 꽃의 아름다움은 거시적인 형태에만 있는 것이 아니라, 미시적인 세계에서도 그 내부 구조는 마찬가지로 매혹적입니다. 그리고 꽃은 섭리의 곤충과 싸우는데, 그 자체로 매우 흥미로운 것입니다. 곤충도 색깔을 구별할 수 있다는 측면에서 말이죠. 아름다운 꽃을 보기 위해 한 가지 질문을 하고 싶습니다. 하등 동물도 꽃의 아름다움을 감상할 줄 아는 걸까요? 그들은 왜 맛을 볼 수 있을까요? 이러한 흥미로운 질문들은 과학적 지식이 꽃을 더욱 신비롭고, 흥미진진하고, 경외롭게 만들 뿐임을 증명해 주었습니다."
