"대통합현미경"은 단일 시야에서 미세세계와 나노세계를 보여줍니다.

세포에서 나오는 전방 및 후방 산란광을 모두 감지하는 양방향 정량 산란 현미경의 개념도. 이러한 이중 감지 방식을 통해 전체 세포 형태부터 나노 크기 입자까지 다양한 구조를 시각화할 수 있습니다. 출처: Horie et al 2025

도쿄대학교의 호리에 코키, 토다 케이이치로, 나카무라 타쿠마, 이데구치 타쿠로 연구진은 기존 장비보다 14배 더 넓은 강도 범위에서 신호를 감지할 수 있는 현미경을 개발했습니다. 이 시스템은 또한 라벨 없이 작동하여 염료를 첨가하지 않습니다. 이처럼 부드러운 접근 방식은 장기간 영상 촬영 시 세포 손상을 방지하여 제약 및 생명공학 분야의 검사 및 품질 관리에 도움이 될 수 있습니다. 이 연구는 Nature Communications 에 게재되었습니다 .

현미경은 16세기 이후 과학적 진보를 주도해 왔지만, 주요 개선에는 점점 더 전문화된 도구가 필요했습니다. 기술이 발전함에 따라 측정 대상에 대한 제약도 있었습니다. 정량 위상 현미경(QPM)은 전방 산란광을 사용하여 미세 크기(본 연구에서는 100나노미터 이상)의 구조를 시각화하므로 복잡한 세포 특징의 정지 영상을 포착하는 데 유용합니다. 그러나 QPM은 매우 작은 입자를 감지할 수 없습니다. 간섭 산란 현미경(iSCAT)은 후방 산란광을 포착하는 방식으로 작동하며, 단일 단백질만큼 작은 구조도 감지할 수 있습니다. iSCAT은 연구자들이 개별 입자를 "추적"하고 세포 내부의 급격한 변화를 관찰할 수 있도록 해주지만, QPM만큼 넓은 시야를 제공하지는 못합니다.

두 방향의 빛을 동시에 포착

첫 번째 저자 중 한 명인 호리에 박사는 "비침습적 방법을 사용하여 살아있는 세포 내부의 역동적인 과정을 이해하고 싶습니다."라고 말했습니다.

이러한 목표에 착안하여 연구팀은 양방향에서 동시에 빛을 수집하면 이러한 간극을 메우고 다양한 크기와 움직임에 걸친 활동을 단일 이미지에서 확인할 수 있는지 연구했습니다. 이 아이디어를 탐구하고 현미경이 예상대로 작동하는지 확인하기 위해, 연구팀은 세포 사멸 과정에서 세포가 어떻게 행동하는지 관찰했습니다. 한 실험에서는 전방 및 후방으로 이동하는 빛으로부터 얻은 정보가 모두 포함된 이미지를 포착했습니다.

겹치는 신호 분리

또 다른 첫 번째 저자인 토다는 "가장 큰 과제는 단일 이미지에서 두 종류의 신호를 명확하게 분리하는 동시에 노이즈를 낮추고 신호가 섞이는 것을 피하는 것이었습니다."라고 설명했습니다.

연구진은 더 큰 세포 구조(마이크로)와 훨씬 더 작은 입자(나노)의 움직임을 식별하는 데 성공했습니다. 전방 산란광과 후방 산란광의 패턴을 비교함으로써 각 입자의 크기와 굴절률을 추정할 수 있었습니다. 굴절률은 빛이 물질을 통과할 때 얼마나 강하게 휘거나 산란되는지를 나타내는 지표입니다.

더 작은 입자의 미래 응용 분야

"엑소좀이나 바이러스처럼 훨씬 더 작은 입자들을 연구하고, 다양한 샘플에서 크기와 굴절률을 추정할 계획입니다."라고 토다는 이미 미래 연구를 염두에 두고 있다고 말했습니다. "또한 살아있는 세포의 상태를 조절하고 다른 기술들을 통해 결과를 재확인함으로써, 살아있는 세포가 어떻게 사멸로 나아가는지 밝혀내고 싶습니다."

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/11/251117091134.htm