(RIED concept. a, Schematic of luminescent-reaction-based imaging—ECL, CL, BL and their features. b, Workflow of RIED reconstruction. Credit: Nature (2026). DOI: 10.1038/s41586-026-10889-7)
영국의 과학자 로버트 훅은 1665년 두 개 이상의 렌즈를 결합한 복합 현미경을 제작해 코르크 조직을 관찰했습니다. 그는 벌집 모양의 작은 빈방들을 발견하고 이를 '세포(Cell)'라는 용어로 처음 명명했습니다. 이후 현미경은 세포를 연구하는데 있어 없어서는 안될 핵심 도구로 크게
발전했습니다.
과학자들은 최신 현미경과 이미징 기술로 살아 있는 세포 내부의 세포내 소기관과 구조물의 움직임을 연구하고 있습니다. 하지만 여전히 한계가 존재합니다. 예를 들어 레이저나 다른 파장의 빛을 쏘는 방식은 세포 구조나 분자에 손상을 주어 정확한 결과를 얻기 어려울 수 있습니다.
대안으로 사용하는 세포 이미징 기술이 반응 기반 발광인데, 세포 내 분자나 구조물에서 빛이 나게 만들어 미세한 구조를 손상시키지 않고 관찰할 수 있습니다. 하지만 빛을 직접 쏘는 것이 아니라 화학 반응으로 빛을 만들기 때문에, 빛의 세기(Photon output)가 매우 낮습니다.
따라서 선명한 이미지를 얻으려면 수십 초 동안 긴 노출 시간이 필요하며, 이 과정에서 세포의 실시간 변화(시공간 정보)를 놓치게 됩니다. 결과적으로 기존의 초해상도 형광 현미경만큼 정밀한 이미지를 얻기 어려웠습니다.
중국 저장 대학교 웬신 추 (Wenxin Zhu , Laboratory of Experimental Physical Biology, Department of Chemistry, Zhejiang University)와 동료들은 RIED(Reaction-enabled super-resolution imaging)라는 새로운 초해상도 이미징 기술을 개발했습니다. 연구팀은 빛이 약한 단점을 극복하기 위해, 반응이 일어나는 지점의 빛의 통계적 변동(fluctuations)을 분석하는 수학적 기법(spatiotemporal correlation analysis)을 사용해 이를 보정하는 기술을 사용했습니다.
동시에 연구탐은 일반적인 화학 반응물을 비스-트리스(Bis-Tris)라는 생물학적 완충액으로 대체하면 세포의 발광이 1,000배 증가한다는 사실을 발견했습니다. 이를 통해 단 20밀리초 만에 선명하고 흐릿하지 않은 이미지를 얻을 수 있었습니다. REID 프레임워크에 컴퓨터 알고리즘과 전기적으로 유발되는 화학 및 생물학적(BL) 발광을 결합하면 100나노미터까지 미세 구조를 선명하게 얻을 수 있습니다.
연구팀은 이 방법으로 세포 내부의 미세소관(Microtubules)을 3D로 초해상도 관찰하는 데 성공했습니다. 그리고 기존 방식보다 훨씬 높은 감도로 암 표지자(CEA)를 검출할 수 있음을 증명했습니다.
REID는 레이저를 사용하지 않으므로 광독성(Phototoxicity)이 없습니다. 예를 들어 BL(생물 발광)을 이용해 살아있는 세포를 관찰했을 때, 기존 형광 현미경(SIM)은 18분 만에 빛이 약해지는(Photobleaching) 현상이 나타났지만, RIED-BL은 41시간 동안 안정적인 초해상도 이미징이 가능했습니다.
연구팀은 RIED-BL 기술을 사용하여 살아있는 세포 내 미토콘드리아의 이동 경로를 초정밀 관찰했습니다. 그리고 미토콘드리아가 세포 내에서 이동할 때 두 가지 모드(직접 이동 vs 간접 이동)가 있음을 정량적으로 밝혀냈습니다. 이는 기존 기술로는 관찰하기 힘들었던 매우 세밀한 역동성을 보여준 것입니다.
결론적으로 REID는 빛을 쏘지 않아 세포 손상이 없고 매우 긴 시간 동안살아있는 세포를 관찰할 수 있으며, 배경 노이즈가 적어 감도가 매우 높습니다. 그리고 단순히 분자의 위치를 찍는 것을 넘어, 화학 반응이 일어나는 활동을 직접 시각화할 수 있는 길을 열었습니다. 이 연구 결과는 저널 네이처에 발표됐습니다.
REID 같은 새로운 이미징 기술이 세포 생물학에 대한 이해를 높이고 질병 연구에 도움이 될 것으로 기대합니다.
참고
Wenxin Zhu et al, Luminescent-reaction-enabled super-resolution imaging, Nature (2026). DOI: 10.1038/s41586-026-10889-7
Journal information: Nature
https://phys.org/news/2026-08-gentle-chemical-scientists-capture-sharper.html
댓글
댓글 쓰기