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한계를 뛰어넘는 초고해상도 현미경



(With MINFLUX microscopy one can, for the first time, separate molecules optically which are only a few nanometers apart from each other. On the left, a schematic of the fluorescing molecules is presented. Whereas the ultra-high resolution PALM/STORM microscopy at the same molecular brightness (right) delivers a diffuse image of the molecules (here in a simulation under ideal technical conditions), the position of the individual molecules can be easily discerned with the practically realized MINFLUX (middle). Credit: MPI f. Biophysical Chemistry/ K. Gwosch )​
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 과학자들이 분해능을 1nm 까지 낮춘 새로운 현미경을 개발했습니다. MINFLUX라고 불리는 이 새로운 방식은 아베 한계 (Abbe limit)라고 알려진 광학 현미경의 한계를 뛰어넘는 새로운 형광 현미경 방식인 STED를 개발한 스테판 헬(Stefan Hell at the Max Planck Institute )이 이끄는 연구팀에 의해 개발되었습니다. 스테판 헬은 STED를 개발한 업적으로 노벨 화학상을 받은 과학자입니다. 공동 수상한 에릭 베치그 (Eric Betzig)는 PALM/STORM란 다른 방법으로 초미세 현미경을 개발했습니다.
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 STED와 PALM/STORM, 그리고 스테판 헬에 대해서는 이전에 헬의 연구소에서 일했던 국내 과학자가 쓴 네이버 캐스트를 참조하면 좋을 것 같습니다.
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 광학 현미경은 빛의 파장의 절반 이상의 해상도를 가질 수 없습니다. 따라서 가장 짧은 푸른 색 파장의 절반인 200nm가 그 분해능의 한계입니다. 독일의 에른스트 아베는 이를 발견해 1873년에 발표했고 이는 아베 한계로 알려져 왔습니다.


 스테판 헬은 세포내 소기관과 더 작은 미세 구조를 관찰하기 위해서 레이저와 형광 방식을 이용한 새로운 방법을 개발했습니다. 레이저를 발사해 물질을 들뜬 상태로 만들고 다시 레이저를 발사해 중심부를 제외한 다른 부위의 들뜬 상태를 없애 가운데 있는 물질만 확인하는 방식입니다. STED와 더불어 많이 사용되는 PALM/STORM는 개발 분자의 형광을 끄고 켜는 방식으로 매우 미세한 구조를 확인할 수 있습니다.


 헬과 젊은 과학자들이 개발한 MINFLUX (MINimal emission FLUXes)는 이 두 가지 방식의 장점을 결합해 1nm까지 해상도를 높임과 동시에 처리 속도를 100배 정도 더 빠르게 해서 실시간으로 분자와 세포의 변화를 확인할 수 있게 만든 획기적인 방식입니다. 실제로 이들은 대장균 내부에 있는 30S ribosome의 이미지를 실시간으로 확인했습니다 (아래 사진)
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(With MINFLUX it is possible to follow many much faster movements than possible with STED or PALM/STORM microscopy. It is therefore possible to make the movements of fluorescence labeled molecules visible in a living cell. Left: Movement pattern of 30S ribosomes (parts of protein factories, colored) in an E. coli bacterium (black-white). Right: Movement pattern of a single 30S ribosome (green) shown enlarged. Credit: MPI f. Biophysical Chemistry/ Y. Eilers )
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 스테판 헬은 이미 상당한 명성을 얻은 과학자이지만, 여기서 안주하지 않고 계속해서 새로운 연구를 이끌고 있다는 점에서 여러 모로 존경할만한 연구자입니다. 특히 네이버 캐스트에서 감명 깊게 읽은 부분은 연구원들에게 행복한지를 물어봤다는 점입니다. 자신이 즐겁고 행복하게 할 수 있는 연구야 말로 정말 오랜 시간 꾸준히 할 수 있고 성과도 거둘 수 있다는 이야기는 상당히 공감되는 내용입니다.
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 참고
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​Nanometer resolution imaging and tracking of fluorescent molecules with minimal photon fluxes. Science,  22 Dec 2016: DOI: 10.1126/science.aak9913                                        

  http://phys.org/news/2016-12-ultimate-resolution-limit-fluorescence-microscopy.html#jCp
  
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