새로운 기술로 조직을 확장해 세포 내부에서 수백 개의 생체 분자를 볼 수 있게 됐습니다.

생물학자들에게는 보는 것이 곧 믿는 것입니다. 하지만 생물학자들은 때때로 보는 데 어려움을 겪습니다.

특히 까다로운 과제 중 하나는 온전한 조직 샘플의 모든 분자를 단일 세포 수준까지 동시에 관찰하는 것입니다. 지질부터 대사산물, 단백질에 이르기까지 수백 또는 수천 개의 생체 분자의 위치를 ​​원래 환경에서 파악하면 연구자들은 이들의 기능과 상호작용을 더 잘 이해할 수 있습니다. 하지만 안타깝게도 과학자들은 이러한 작업을 수행할 수 있는 효과적인 도구를 갖추고 있지 않습니다.

대부분의 현미경을 포함한 이미징 방법은 세포 내부 분자를 관찰할 수 있도록 해줍니다. 하지만 이러한 방법은 한 번에 소수의 분자만 추적할 수 있으며, 일부 지질을 포함한 모든 유형의 생체 분자를 검출할 수는 없습니다. 일반적인 질량 분석법과 같은 다른 방법들은 수백 개의 분자를 검출할 수 있지만, 손상되지 않은 시료에는 사용할 수 없기 때문에 연구자들은 생체 분자의 방향을 파악할 수 없습니다.

유망한 기술 중 하나인 질량 분석 이미징은 이러한 과제 중 일부를 극복합니다. 이 기술을 사용하면 연구자들은 손상되지 않은 조직에서 수백 개의 분자를 동시에 관찰할 수 있습니다. 하지만 단일 세포 수준에서 검출할 만큼 해상도가 높지는 않습니다.

이것이 Janelia 선임 그룹 리더인 멩 왕이 직면한 문제였습니다. 왕과 그녀의 팀은 노화와 장수의 근본적인 메커니즘을 연구하고 있으며, 손상되지 않은 조직에서 다양한 생체 분자를 검출하여 조직이 노화됨에 따라 구성 요소가 어떻게 변화하는지 이해하고자 했습니다.

왕 박사는 "각각의 특정 위치에 어떤 분자가 있는지, 그리고 주변 세포에는 무엇이 있는지 아는 것은 모든 종류의 생물학적 질문에 매우 중요하다"고 말했습니다.

다행히 왕의 연구실은 자넬리아 수석 과학자 폴 틸버그와 같은 복도 끝에 있습니다. 틸버그는 MIT 대학원생 시절 팽창 현미경이라는 기술을 공동 개발했습니다. 이 방법은 팽창성 하이드로겔 소재를 사용하여 샘플을 모든 방향으로 균일하게 팽창시켜, 일반 현미경으로도 세포소기관 구조와 같은 미세한 부분까지 관찰할 수 있도록 합니다.

이제 10년이 지난 이 팽창 과정은 전통적인 현미경 이외의 다른 방법에도 적용되고 있습니다. 왕, 틸버그, 그리고 자넬리아와 위스콘신-매디슨 대학교의 공동 연구진은 팽창을 사용하여 질량 분석 이미징의 공간 분해능 문제를 극복할 수 있는지 알아보고자 했습니다.

그 결과, 기존 확장 과정처럼 분자 수준에서 분해하지 않고도 조직 샘플을 점진적으로 확장하는 새로운 방법이 탄생했습니다. 손상되지 않은 샘플을 사방으로 확장함으로써, 연구자들은 질량 분석 이미징을 사용하여 단일 세포 수준에서 원래 위치에서 수백 개의 분자를 동시에 검출할 수 있습니다.

틸버그는 "이 기술을 이용하면 분자 공간에서 특정 대상에 국한되지 않은 모습을 볼 수 있으며, 우리는 이를 공간 분해능 측면에서 현미경이 할 수 있는 것에 더 가깝게 만들려고 노력하고 있습니다."라고 말했습니다.

연구팀은 이 새로운 기법을 사용하여 소뇌의 여러 층에 존재하는 소분자들의 구체적인 공간적 패턴을 규명했습니다. 지질, 펩타이드, 단백질, 대사산물, 글리칸을 포함한 이러한 분자들이 이전에 생각했던 것처럼 균일하게 분포하지 않는다는 것을 발견했습니다. 더 나아가, 소뇌의 각 층은 고유한 지질, 대사산물, 단백질의 특징을 가지고 있다는 사실도 발견했습니다.

연구팀은 신장, 췌장, 종양 조직에서 생체 분자를 검출하여 이 방법이 다양한 조직 유형에 적용될 수 있음을 보여주었습니다. 종양 조직에서는 생체 분자의 큰 변이를 시각화할 수 있었는데, 이는 종양의 분자 메커니즘을 이해하고 잠재적으로 약물 개발에 도움이 될 수 있습니다.

"이러한 생체 분자를 볼 수 있게 되면 왜 그러한 패턴을 보이는지, 그리고 그것이 기능과 어떻게 연관되는지 이해할 수 있게 됩니다."라고 왕은 말합니다. 그녀는 이 새로운 기술을 통해 연구자들이 발달, 노화, 질병 과정에서 이러한 패턴을 추적하여 다양한 분자가 이러한 과정에 어떻게 기여하는지 이해할 수 있을 것이라고 믿습니다.

새로운 방법은 기존 질량 분석 이미징 시스템에 하드웨어를 추가할 필요가 없고, 확장 기법도 비교적 배우기 쉽기 때문에 연구팀은 전 세계 여러 연구실에서 이 방법이 활용되기를 기대합니다. 또한, 연구팀은 이 새로운 기술을 통해 생물학자들에게 질량 분석 이미징이 더욱 유용한 도구가 되기를 기대하며, 새로운 방법에 대한 자세한 설명과 다른 조직 유형에 적용하기 위한 로드맵을 제시했습니다.

왕은 "우리는 특별한 도구나 절차가 필요하지 않으면서도 널리 채택될 수 있는 것을 개발하고 싶었습니다."라고 말했습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/04/250422155834.htm