광주과학기술원 김덕영 교수팀이 제작한

레이저현미경 사진으로 찍은 3차원 세포사진

인류의 생명을 위협하는 전염병과 이를 치료하기 위한 신약개발, 암의 조기 진단 및 치료, 줄기세포를 이용한 장기 복원, 유전자의 발현 메커니즘, 그리고 노화 및 세포 사멸 메커니즘에 대한 문제들과 같은 현대생물학 당면 문제를 해결하기 위해서는 각 세포기관의 기작 원리와 정보 전달 물질 및 그 메커니즘 등에 관한 체계적인 연구가 필요하다.

이러한 세포소기관들의 기작원리를 이해하기 위해서는 세포를 죽이거나 변형시키지 않고 실시간으로 분자레벨의 움직임을 모니터링 할 수 있는 나노 이미징 시스템이 필수적으로 요구된다. 전자현미경이나 X선 영상 또는 탐침을 이용한 원자현미경은 이러한 분자크기와 배열을 알 수 있지만 관찰하려는 대상을 고정시키거나 약물처리를 하여야만 되는 단점을 갖는다.

2008년도 노벨화학상은 라이브 셀(Live cell) 내부의 단백질들의 활동을 광학적으로 실시간 모니터할 수 있는 기술의 초석을 이룬 초록형광단백질(Green Fluorescence Protein) 및 이를 이용한 생체이미징 기술에 공헌한 Shimomura, Chalfie, Tsien에게 돌아갔다. 초록형광단백질(GFP)은 1962년에 처음 발견된 이후 지금까지 이것을 기반으로 한 여러 가지 살아있는 생체세포에 대한 실시간 모니터링 기술의 발전에 크게 기여하였는데, 이러한 광 이미징기술은 최근 들어 수많은 생명과학 분야에서 이용되고 있다.

이와 같은 형광물질이나 나노물질을 이용한 새로운 나노 광 이미징 기술은 21세기 생명과학의 최대 과제라고 할 수 있는 생체세포의 분화, 발생, 진화, 사멸에 관련된 신비를 풀기 위해 살아있는 세포를 실시간으로 관찰할 수 있는 유일한 기술로 평가되고 있으며, 이를 이용한 실시간 3차원 나노 광 이미징 기술은 21세기 생명과학의 발전에 가장 핵심적이고 필수적인 기술로 평가되고 있다.

16세기에 처음 개발된 광학현미경은 1933년 네덜란드의 저니키(Carl Zernike)가 위상차미경이 나오기까지는 큰 발전이 없었다. 하지만 세포를 관측하기 위한 현미경 기술은 1950년대 공초점 현미경과 60년대 초록형광단백질, 그리고 70년대에 레이저가 개발되면서 눈부신 발전을 거듭하게 된다.

특히 90년대 들어서면서 펨토초(1000조 분의 1초)레이저가 상용화되면서 이를 이용한 펨토초 레이저 공초점 현미경과 빛의 스펙트럼을 분석하여 세포의 특성을 보는 스펙트럼 현미경 그리고 3차원 이미징을 위한 디지털 홀로그램 현미경 등의 레이저를 이용한 다양한 현미경 기술이 개발되고 있다.

본 강연에서는 21세기 전자ㆍ컴퓨터 기술과 레이저기술 등의 발전에 따른 새로운 현미경기술의 최근 발전 동향 및 그 작동원리 그리고 이에 대한 미래기술의 발전 전망에 대한 것이다.

생체세포 관찰을 위한 광 이미징 기술은 세계적으로 크게 아래와 같은 초고속, 3차원, 나노 이미징을 위해 추진되고 있는데, 이는 3차원으로 Live-cell의 구성 요소와 그 변화를 나노스케일로 실시간 관찰하려는 생명과학 분야의 최근 연구 동향에 맞추어 진행되고 있다.

본 연구단은 생체세포관찰을 위한 차세대 3차원 나노 이미징 기술에 대한 다양한 원천기술 연구 수행 및 이를 이용한 생체세포 적용 기술에 대한 창의적인 연구 수행을 목적으로 2006년에 광주과학기술원 김덕영 교수 실험실을 중심으로 출범하였다.

 
<2009.10.8 전남일보 게재>