분자유전학실험실 (단국대학교 분자생물학과)



 이성욱 ( 2014-10-12 12:36:17 , Hit : 2044
 2014년 노벨 화학상: 세포의 내부생활을 드러낸 혁신적 현미경

http://mirian.kisti.re.kr/futuremonitor/view.jsp?cn=GTB2014100341&service_code=03  
KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-10-10    
      
빛의 회절한계를 극복하여, 광학현미경의 관찰범위를 분자 수준으로 끌어내린 세 명의 과학자들이 올해 노벨 화학상을 받았다. 미국 하워드휴즈 의학연구소의 에릭 베지그 박사, 독일 막스플랑크 생물물리 화학연구소의 스테판 헬 박사, 미국 스탠퍼드 대학교의 윌리엄 모에너 교수가 그 주인공들이다. "이 세 사람은 모두 동등하게 초(超)고해상도 형광현미경의 개발에 기여한 공로를 인정받았다"고 노벨상 위원회는 발표했다(보도자료: http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2014/press.pdf).

지난 100여 년 동안 현미경으로 미세한 물체를 들여다보는 데는 근본적 한계가 있었는데, 그것은 `빛의 회절 때문에 해상도가 흐려진다`는 것이었다. 이러한 현상을 아베 회절(Abbe diffraction)이라고 하는데, 구체적으로 말하면 "가시광선을 사용할 때, 0.2㎛ 미만의 물체를 볼 수 없다"는 것이다. 생물학 샘플을 관찰하는 데 가장 적합한 광선은 가시광선으로 간주되는데, 이 같은 한계 때문에 세균의 세포나 바이러스는 분간하기 어려운 점(點)으로 나타났었다.

세 명의 노벨화학상 수상자들은 형광(fluorescence)을 이용하여 이상과 같은 한계를 극복했다. 즉, 렌즈 아래의 샘플로 하여금 스스로 빛을 발하게 만들어, 자신의 상세한 모습을 드러내게 한 것이다. 헬 박사는 2000년, STED 현미경 방식(stimulated emission depletion microscopy: 유도방출감쇄 현미경 방식)을 개발했는데, 이것은 제1의 레이저빔으로 분자를 들뜨게 하여 형광을 발하게 한 다음, 제2의 레이저빔(도넛 모양)을 이용하여 모든 형광을 제거하고 오직 나노미터 범위의 형광만을 남겨 놓는 방식을 말한다.

이와 별도로 베지그 박사와 모에너 교수는 단분자 현미경방식(single-molecule microscopy)이라는 상이한 기술을 개발했는데, 이것은 상이한 분자들을 들뜨게 함으로써 선택적으로 점멸(on/off)시키는 방식을 말한다. 즉, 샘플 상의 한 분자로 하여금 형광를 발하게 하여 영상을 촬영하고, 다른 분자들에 대해서도 같은 방식으로 영상을 촬영한 다음, 최종적으로 모든 영상을 중첩시켜 (전체 샘플에 대한) 하나의 이미지를 구축하는 것이다. 베지그 박사는 2006년 Science에 기고한 논문에서, 이 같은 방식의 효용을 입증했다(http://www.sciencemag.org/content/313/5788/748.1.summary)

헬 박사는 전화를 통해 이루어진 기자회견을 통해, "전통적 현미경의 문제점에 염증을 느껴, `(외견상 불가능해 보이는) 한계를 돌파할 방법은 없을까?`라는 생각을 한 것이 연구의 시발점이었다"고 술회하면서, "나는 문제점에 매혹되어 연구에 몰두했고, 종국에는 `분자를 갖고 노는 방법`이 있다는 것을 깨달았다. 레이저빔을 이용하여 분자를 켜거나 끄면 사물을 볼 수 있음을 알게 된 것"이라고 말했다. "1873년 아베의 연구에 의해 `빛의 회절 한계`가 밝혀졌기 때문에, 과학계는 처음에는 내 연구를 그리 탐탁잖게 여겼다. 그러나 나는 빛의 파장을 바꾸는 대신, 분자를 조작함으로써 이 한계를 극복할 수 있음을 증명했다"고 그는 덧붙였다.

가시광선으로 나노미터의 해상도를 달성할 수 있다는 것은 `생물학 샘플을 살아 있는 상태에서 관찰할 수 있다`는 것을 의미한다. 이는 가혹조건(harsh conditions)이 요구되는 전자현미경에 비해 커다란 장점이 아닐 수 없다. "형광현미경은 단지 세포 내부의 구조만 보여주는 것이 아니라, 그것이 언제 어떻게 움직이는지도 알려준다. 형광현미경이 위대한 것은 바로 이 때문"이라고 스웨덴 룬드 대학교의 교수(무기화학)이자 노벨화학상 위원인 스벤 리딘은 기자회견에서 말했다.

※ 참고: Eric Betzig, George H. Patterson, Rachid Sougrat, O. Wolf Lindwasser, Scott Olenych, Juan S. Bonifacino, Michael W. Davidson, Jennifer Lippincott-Schwartz, Harald F. Hess, "Imaging Intracellular Fluorescent Proteins at Nanometer Resolution", Published Online August 10 2006. Science 15 September 2006: Vol. 313 no. 5793 pp. 1642-1645, DOI: 10.1126/science.1127344



http://blogs.nature.com/news/2014/10/nanoscopy-pioneers-win-chemistry-nobel.html







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