육안으로 볼 수 없는 것을 보기 - 과학자들이 미세한 세계를 눈에 띄게 만드는 방법에 대한 4가지 필수 읽기

부건강 및 생물의학 편집자

Northern Kentucky University 교수 겸 신경과학 프로그램 디렉터

피츠버그 대학교 컴퓨터 및 시스템 생물학 교수, 과학 전략 및 계획 부총장

샌프란시스코 캘리포니아대학교 글래드스톤 연구소 과학 프로그램 리더

Penn State 신경 및 행동 과학 부교수

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현미경은 생명과학의 상징적인 상징입니다. 그럴 만한 이유가 있습니다. 세포 존재의 발견부터 DNA 구조까지, 현미경은 이 분야의 전형적인 도구였으며 과학자뿐만 아니라 일반 대중에게도 살아있는 세계의 새로운 차원을 열어주었습니다.

생명체의 기능을 이해하려면 형태를 해석해야 하는 경우가 많은 생명 과학의 경우, 이론을 확인하고 아직 알려지지 않은 것을 밝히는 데 이미징이 필수적입니다.

The Conversation의 아카이브에서 선별된 이야기는 시각 너머의 시각화 기술을 포함하여 현미경이 다양한 형태의 과학 지식에 기여한 몇 가지 방식을 제시합니다.

지난 몇 세기 동안 현미경은 점진적이면서도 중요한 발전을 이루었습니다. 각각의 발전으로 인해 연구자들은 세포에서 세포 내 구조, 세포 내 구조 내 구조, 원자에 이르기까지 점점 더 작고 부서지기 쉬운 구조와 생체분자를 점점 더 높은 해상도로 볼 수 있게 되었습니다.

그러나 셀의 가장 작은 구조와 가장 큰 구조 사이에는 여전히 해상도 차이가 있습니다. 생물물리학자 Jeremy Berg는 Google 지도에 비유했습니다. 과학자들은 도시를 전체와 개별 주택으로 볼 수 있지만 이웃을 알아볼 수는 없었습니다.

"이러한 이웃 수준의 세부 사항을 확인하는 것은 세포 환경에서 개별 구성 요소가 어떻게 함께 작동하는지 이해하는 데 필수적입니다."라고 그는 썼습니다.

과학자들은 이러한 해상도 격차를 해소하기 위해 노력하고 있습니다. 예를 들어, 2014년 노벨상을 받은 초해상 현미경의 개선으로 다양한 크기와 시간 척도에 걸쳐 이미지를 동시에 캡처함으로써 세포 분열과 같은 오랜 과정에 대한 연구를 향상시켰으며, 기존 현미경에서는 흐릿해지는 경향이 있는 세부 사항을 명확하게 보여줍니다.

또 다른 기술인 저온전자현미경(cryo-EM)은 급속 냉동을 통해 훨씬 더 복잡하고 역동적인 분자를 볼 수 있게 한 공로로 2017년에 노벨상을 수상했습니다. 이것은 사진 작업을 생성하기 위해 전자 빔에 의해 충격을 받을 때 샘플 주위에 보호 유리 같은 껍질을 만듭니다. Cryo-EM의 특수 유형인 Cryo-ET는 자연 환경 내에서 분자 구조의 3D 이미지를 구축할 수 있습니다.

이러한 기술은 원자 해상도나 그 근처의 이미지를 생성할 뿐만 아니라 캡처하기 어려운 관심 생체분자의 자연스러운 형태를 보존합니다. 예를 들어 연구자들은 극저온-EM을 사용하여 형태를 바꾸는 C형 간염 바이러스 표면에 있는 단백질의 파악하기 어려운 구조를 포착할 수 있었고 이는 미래 백신에 대한 핵심 정보를 제공했습니다.

과학의 시력이 더욱 향상되면 생명의 구성 요소에 대한 미세한 세부 사항이 더 많이 드러날 것입니다.

Berg는 “무질서한 분자 봉지에서 복잡하게 조직되고 역동적인 시스템으로 이동하여 세포를 이해하는 방법에 대한 새로운 이론을 볼 수 있을 것으로 기대합니다.”라고 썼습니다.

더 읽어보기: 이전에는 불가능했던 해상도로 세포 내부를 시각화하면 세포의 작동 방식에 대한 생생한 통찰력을 얻을 수 있습니다.

현미경 이미지는 스냅샷으로 구성되는 경우가 많습니다. 전체의 제한된 부분을 확대하여 숨겨진 특징을 드러내는 것입니다. 그러나 유기체의 어떤 것도 단독으로 작동하지 않습니다. 개별 구성 요소를 식별한 후 과학자들은 신체의 거시 시스템에서 서로 상호 작용하는 방식을 차트로 작성하는 임무를 맡습니다. 이를 파악하려면 특정 세포, 조직 및 기관을 구성하는 모든 구성 요소를 식별하는 것뿐만 아니라 이들을 서로 연관시켜 배치하는 것, 즉 지도를 만드는 것도 필요합니다.