레이저 현미경: 생물학의 핵심 툴

생명과학 분야에서 광학 현미경을 사용하기 시작한 것은 최초로 현미경을 사용해 작은 생명체를 관찰한 것으로 유명한 네덜란드 사업가 Anton van Leeuwenhoek의 시대로 거슬러 올라갑니다. 약 400년이 지났지만 생명과학 전반의 과학자들은 여전히 작업에서 광학 현미경을 중요한 도구로 사용하고 있습니다. 어느 모로 보나 꽤 인상적인 역사인 셈이죠. 물론 “미시적(microscopic)”이라는 단어는 이미 오래 전부터 작은 것을 지칭하는 것으로 널리 수용된 용어이기도 합니다.

작동 중인 3D 현미경. Chameleon Discovery 레이저의 두 파장을 사용하여 여러 세포 구성 요소를 시각적으로 다른 색상으로 표시되는 쥐의 경동맥. 주요 이미지는 “정면”에서 경동맥을 보여주고, 오른쪽의 수직 슬라이스는 동맥 벽의 수직면을 보여줍니다.

현미경으로 생명체 매핑하기

광학 현미경이 여전히 중요한 이유는 무엇이며, 레이저와 어떤 관련이 있습니까? 광학 현미경은 작은 물체의 구조를 이미지화하는 가장 간단한 도구입니다. 그러나 그에 못지않게 중요한 점은 이러한 구조가 무엇으로 구성되어 있는지 알려줄 수 있는 유일한 도구가 되도록 진화했다는 것입니다. 과학자들은 샘플과 상호 작용하는 빛의 색상(파장)을 조작하고 측정하여 모든 종류의 다양한 생화학 물질의 지도를 생성할 수 있습니다. 단세포 아메바에서 나무, 코끼리에 이르기까지 모든 살아있는 유기체는 모두 복잡한 생화학적 반응을 기반으로 하고 있어 매우 유용한 기능입니다.

이 화학적 매핑은 다소 조잡하게 제작되었습니다. 100년 전에는 식물이나 동물의 죽은(“고정된”) 샘플을 얼룩이라고 하는 유색 염료로 화학적으로 처리했습니다. 이것은 샘플의 모든 지방 또는 모든 단백질에 부착될 수 있습니다. 그러면 관찰자는 샘플 중에서 이 염료에 착색된 부분과 착색되지 않은 부분을 확인할 수 있습니다.

오늘날에는 과학자들이 여러 가지 염료 중에서 선택할 수 있으며, 연구는 훨씬 더 정교해 졌습니다. 이 염료는 대부분은 종종 형광단 또는 형광 색소라고 하는 형광 화학물질입니다. (형광 물질은 한 파장의 빛을 흡수하고 다른 긴 파장의 빛을 다시 방출합니다.) 일부 형광단은 병에서 바로 나오는 화학 물질이지만, 종종 식물이나 동물이 직접 생산하도록 유전자 변형된 형광 단백질입니다.

레이저는 궁극적인 현미경 광원입니다

그러나 레이저는 어떻습니까? 이제 그 얘기로 넘어가겠습니다. 레이저가 여러 가지 이유로 형광 현미경 작업을 수행하기 위한 궁극적인 광원임이 밝혀졌습니다. 과학자들은 현미경을 사용하여 더욱 상세하게 보려고 합니다. 여기서는 공간 해상도 또는 그냥 해상도라고 합니다. 또한 과학자는 얇은 죽은 조각이 아닌 실제 3차원 물체를 보고 싶어합니다. 그리고 또한 현미경을 사용하여 실시간으로 일어나는 살아있는 생물학을 관찰하려고 합니다. 레이저는 이 모든 것을 가능하게 하는 광원으로 밝혀졌습니다.

형광 현미경 검사법에서 레이저를 이용하면 몇 가지 결정적인 이점이 있습니다. 첫째, 레이저는 하나의 파장에서만 빛을 방출합니다. 그리고 부분적으로 광여기 반도체 레이저(OPSL) 기술이 있어, 이 파장을 선택하여 특정 형광단의 흡수와 일치하도록 할 수 있습니다. 현미경 카메라 앞의 유리 필터는 샘플에 의해 산란된 레이저 광(즉, 눈부심)을 차단하고 형광만 선택적으로 이미지화되도록 합니다. 이제 램프 또는 필터가 있는 LED를 사용하여 단일 파장 대역을 얻을 수 있습니다. 그러나 레이저 출력 빔은 램프나 LED의 빛보다 훨씬 작은 지점에 초점을 맞출 수 있습니다. 이러한 점은 불가능하게 만드는 모든 아웃포커스 배경 형광 없이 3D 이미지를 제공하는 공초점 레이저 스캐닝 현미경(CLSM)의 핵심입니다.

또한 레이저의 강도는 램프나 LED보다 훨씬 더 높기 때문에, 희미한 형광도 빠르게 이미지화할 수 있습니다. 또한 레이저의 조절 가능한 높은 강도는 최신 초해상도 기술(예, PALM, STORM)을 지원하여 해상도를 몇 나노미터 이하인 이미지까지 생성할 수 있는 핵심 요소입니다. 그리고 이러한 점은 2014년에 노벨상을 수상한 훌륭한 성과이며, 최근 40년 전에는 가시 현미경으로 회절의 한계, 즉 약 250나노미터를 넘어설 수 없다고 생각했기 때문입니다.

실시간으로 촬영하기

연구자들은 생명과학의 많은 영역, 특히 신경과학에서 해상도 만큼이나 깊이 있는 이미징을 원합니다. 조직 내부 또는 전체 유기체 내부 깊숙한 곳에서 선명한 이미지를 얻기를 원합니다. 또한 살아있는 조직에서 그러한 작업을 하기를 원합니다. 공초점 및 초해상도 방법은 고정된 샘플에 적합하지만, 일반적으로 살아있는 표본에 대한 광손상이 너무 많이 발생합니다. 다행히도 다광자 현미경이라는 기술로 초고속 레이저로 가능해진 이 과제를 해결할 수 있습니다. (또 다른 노벨상!) 실제로 Coherent가 전체 제품군을 다광자 현미경을 위해 맞춤 제작된 Chameleon Ultrafast 레이저 제품군을 만드는 초고속 레이저의 매우 중요한 응용 분야입니다.

과학자들은 미래를 내다 보는 다광자 현미경을 기반으로 하는 실시간 생검 같은 의료 응용 분야를 위한 도구를 개발하고 있습니다. 다광자 방법 중 일부는 염료나 형광 단백질이 전혀 필요하지 않기 때문에 이러한 점이 가능합니다! 이러한 기술을 통칭하여 라벨이 없는 이미징이라고 합니다.

이렇게 해서 생물학에서 레이저 현미경의 엄청난 영향을 정밀하게 살펴보았습니다. van Leeuwenhoek가 크게 놀라고 감동을 받을 것입니다.