새로운 현미경은 세포 내 분자의 전체 3D 방향과 위치를 한 번에 이미지화할 수 있다

속담에 '두 사람의 머리는 하나보다 낫다'고 했고, 때로는 두 가지 악기를 독창적으로 결합하면 각자는 할 수 없는 일을 해낼 수 있습니다.

이는 해양 생물학 연구소(MBL)에서 탄생한 하이브리드 현미경의 경우로, 과학자들이 세포 내부의 표지된 단백질과 같은 분자 앙상블의 전체 3D 방향과 위치를 동시에 이미지화할 수 있게 해주는 최초의 사례입니다. 이 연구는 이번 주에 미국 국립과학원 회보 에 게재되었습니다.

이 현미경은 분자의 방향을 측정하는 데 귀중한 도구인 편광 형광 기술과 샘플의 깊이(축) 축을 따라 이미징에 탁월한 듀얼 뷰 광 시트 현미경(diSPIM)을 결합합니다.

이 범위는 강력한 응용 프로그램을 가질 수 있습니다. 예를 들어, 단백질은 일반적으로 환경에 반응하여 3D 방향을 변경하여 다른 분자와 상호 작용하여 기능을 수행할 수 있습니다.

"이 기구를 사용하면 3D 단백질 방향 변화를 기록할 수 있습니다." 시카고 대학교 대학원생이자 MBL에서 부분적으로 이 연구를 수행한 CZ Biohub San Francisco의 첫 번째 저자인 Talon Chandler가 말했습니다. "단지 분자의 위치 변화만으로는 당신에게 감춰져 있는 진짜 생물학이 있습니다."라고 그는 말했습니다.

분열하는 세포의 방추 속에 있는 분자를 영상화하는 것은 MBL과 다른 연구실에서 오랫동안 과제로 삼아 온 일 중 하나입니다.

"편광광을 포함한 전통적인 현미경을 사용하면, 시야 방향과 수직인 평면에 스핀들이 있다면 스핀들을 아주 잘 연구할 수 있습니다. 평면이 기울어지는 즉시 판독이 모호해집니다." MBL의 선임 과학자이자 공동 저자인 루돌프 올덴버그가 말했습니다. 이 새로운 기구를 사용하면 기울기를 "보정"하면서도 스핀들 분자(미세소관)의 3D 방향과 위치를 포착할 수 있습니다.

이 팀은 시스템을 더 빠르게 만들어서 살아있는 샘플의 구조 위치와 방향이 시간이 지남에 따라 어떻게 변하는지 관찰할 수 있기를 바랍니다. 또한 미래의 형광 프로브 개발을 통해 연구자들이 시스템을 사용하여 더 다양한 생물학적 구조를 이미지화할 수 있기를 바랍니다.

비전의 합류

이 현미경의 개념은 2016년 MBL에 모인 현미경 혁신가들의 브레인스토밍을 통해 구체화되었습니다.

당시 미국 국립보건원(NIH)에 재직 중이며 MBL 휘트먼 펠로우였던 HHMI Janelia의 하리 슈로프는 MBL에서 맞춤형 diSPIM 현미경을 연구하고 있었는데, 이는 현재 MBL에 있는 아비쉔 쿠마르와 협력하여 제작한 것입니다.

diSPIM 현미경은 샘플에서 직각으로 만나는 두 개의 이미징 경로를 가지고 있어 연구자들이 두 관점에서 샘플을 조명하고 이미징할 수 있습니다. 이 듀얼 뷰는 단일 뷰의 낮은 심도 분해능을 보상하고 다른 현미경보다 편광을 더 잘 제어하여 조명할 수 있습니다.

대화를 나누면서 슈로프와 올덴부르는 듀얼 뷰 현미경이 편광 현미경의 한계, 즉 빛이 전파되는 방향을 따라 편광된 빛으로 샘플을 효율적으로 조명하기 어려운 문제를 해결할 수 있다는 것을 깨달았습니다.

"두 개의 직교 뷰가 있다면, 그 방향으로 편광 형광을 훨씬 더 잘 감지할 수 있을 것입니다." 슈로프가 말했습니다. "우리는 diSPIM을 사용하여 편광 형광을 측정하는 것이 어떨까 생각했습니다."

슈로프는 시카고 대학의 교수이자 컴퓨터 이미징 시스템 알고리즘을 개발하는 연구실을 둔 패트릭 라 리비에르와 MBL에서 협업하고 있었습니다. 그리고 라 리비에르는 연구실에 새로운 대학원생인 탈론 챈들러를 데려왔고, 그는 그를 MBL로 데려왔습니다. 이 두 시스템을 결합하는 과제는 챈들러의 박사 학위 논문이 되었고, 그는 다음 해를 MBL의 올덴버그 연구실에서 보냈습니다.

초기에는 MBL에 근무하던 샬린 메타가 포함된 이 팀은 diSPIM에 액정을 장착해 입력 편광 방향을 바꿀 수 있었습니다.

"그리고 저는 오랜 시간 동안 이걸 재구성하면 어떨까에 대해 고민했습니다. 지금 우리가 수집하기 시작한 이 데이터에서 최대한 복구할 수 있는 것은 무엇일까요?" 챈들러가 말했습니다. 당시 NIH에서 슈로프의 이전 연구실에 근무하던 공동 저자 민 궈도 이 측면에서 지치지 않고 노력했고, 분자 방향과 위치의 완전한 3D 재구성이라는 목표에 도달했습니다.

챈들러는 "MBL, 시카고 대학, NIH 사이에 이 문제를 해결하면서 많은 의견 충돌이 있었습니다."라고 말했습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/02/250221171358.htm