마이크로와 나노의 세계를 한 눈에 보여주는 ‘대형통합현미경’

현미경은 16세기 이후 과학적 진보를 주도해 왔지만, 주요한 발전을 위해서는 점점 더 전문화된 도구가 필요한 경우가 많습니다. 기술이 더욱 발전함에 따라 측정할 수 있는 항목에 있어서도 상충 관계에 직면했습니다. 정량적 위상 현미경(QPM)은 전방 산란광을 사용하여 마이크로 스케일(이 연구에서는 100나노미터 이상)에서 구조를 시각화하므로 복잡한 세포 특징의 정지 이미지를 캡처하는 데 유용합니다. 그러나 QPM은 매우 작은 입자를 감지할 수 없습니다. 간섭계 산란(iSCAT) 현미경은 후방 산란광을 포착하여 다르게 작동하며 단일 단백질만큼 작은 구조를 감지할 수 있습니다. iSCAT을 사용하면 연구자들이 개별 입자를 “추적”하고 세포 내부의 빠른 변화를 관찰할 수 있지만 QPM이 제공하는 더 넓은 시야가 부족합니다.

두 방향의 빛을 동시에 캡처

첫 번째 저자 중 한 명인 Horie는 “비침습적 방법을 사용하여 살아있는 세포 내부의 동적 과정을 이해하고 싶습니다.”라고 말했습니다.

이 목표에 동기를 부여받은 팀은 동시에 양방향에서 빛을 수집하면 격차를 해소하고 단일 이미지에서 광범위한 크기와 동작에 걸친 활동을 나타낼 수 있는지 여부를 조사했습니다. 아이디어를 탐색하고 현미경이 예상대로 작동하는지 확인하기 위해 그들은 세포가 죽는 동안 세포가 어떻게 행동하는지 관찰했습니다. 한 실험에서 그들은 앞으로 이동하는 빛과 뒤로 이동하는 빛의 정보가 포함된 이미지를 캡처했습니다.

겹치는 신호 분리하기

또 다른 제1저자인 Toda는 “우리의 가장 큰 과제는 단일 이미지에서 두 종류의 신호를 깔끔하게 분리하는 동시에 노이즈를 낮게 유지하고 신호 간의 혼합을 방지하는 것”이라고 설명했습니다.

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

더 작은 입자를 위한 미래 응용 분야

Toda는 “우리는 엑소좀이나 바이러스와 같은 미래 연구에 대해 이미 생각하고 있는 더 작은 입자를 연구하고 다양한 샘플에서 크기와 굴절률을 추정할 계획입니다. 또한 살아있는 세포가 상태를 제어하고 다른 기술로 결과를 다시 확인하여 어떻게 죽음을 향해 움직이는지 밝히고 싶습니다.”라고 말했습니다.