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뇌 조직을 100배 크게 만드는 과학자들
Scientists have learned to make brain tissue 100 times bigger

해외과학기술동향

2017-11-06


성장 캡슐(grow capsules)이라는 장난감은 물에 떨어뜨리면 공룡이나 거북이로 자라난다. 동물이나 나무가 자라는 모습은 매우 흥미롭지만 정교하진 않다.

성장 캡슐의 개념은 단순하다. 물을 추가하면 흡수성 물질이 팽창하는 것이다. 과학자들은 바로 이 원리를 이용하여 작은 물체를 더 크게 보려고 한다. 확장 현미경(expansion microscopy)이라고 불리는 이 장치는 작은 것을 보려는 노력 대신 작은 것들을 크게 만들 수 있지 않을까? 하는 질문에서 시작된 것이다. 마치 7살짜리 아이의 꿈같은 아이디어처럼 들리지만 실제로 작동하는 기술이다.

일반적인 현미경은 조직과 세포를 관찰하는 강력한 도구다. 팔의 피부를 현미경으로 100배 확대하면 매끈한 피부가 낡은 가죽소파처럼 보이고 모낭은 나무처럼 크게 보인다. 더 나아가 500배로 확대하면 개별 세포를 볼 수 있다. 특별 염료를 사용하면 DNA가 위치하고 있는 핵과 다른 큰 세포 기관을 관찰할 수 있다. 1000배로 확대하면 대형 단백질 그룹을 만들어 세포에 힘을 주는 구조적 단백질을 관찰할 수 있지만 더 이상은 물리학이 허용하지 않아 대부분의 현미경으로 관찰이 불가능하다.

대부분의 현미경이 1000배에서 겪는 회절 장벽(diffraction barrier)은 빛이 현미경을 통과할 때 너무 많이 산란되기 때문에 200 나노미터 이상 떨어진 물체만 식별할 수 있는 한계가 있다. 이 배율은 세포질을 구분하기에는 충분하지만 단백질을 구분하기는 힘들다. 과학자들의 연구 대상 세포 분자는 너무 가깝게 위치하고 있어 일반적인 현미경으로는 구분이 불가능하다.

회전 장벽을 우회할 수 있는 몇 가지 기술이 있지만 쉬운 것은 없다. 전자현미경의 경우 빛이 아니라 전자빔을 이용하기 때문에 음으로 하전된 입자보다 더 많이 산란된다. 이 현미경의 문제는 비싼 방사성 독물질을 세포에 투입하여 세포막과 단백질을 볼 수 있게 만들어야 한다는 것이다. 또 다른 기술은 초해상도 현미경(super-resolution microscopy)이라고 불리는 기술로 복잡한 컴퓨터 알고리즘과 고가의 장비를 이용하여 단백질을 재구성하는 것이다. 바로 이 점에서 확장 현미경이 왜 잘 작동하는지 설명해주는데, 표본을 확대하여 회절 장벽을 완전히 우회할 수 있기 때문이다.

동작 방식은 다음과 같다. 관찰하려는 뇌조직에 아크릴아마이드(acrylamide)를 주입한다. 이 물질은 세포의 모든 작은 분자들을 얽히게 하는 사슬과 띠를 형성한다. 다음으로 아크릴아마이드를 단백질에 고정시키는 화합물을 첨가한다. 상대적으로 큰 이 화합물이 대부분의 작업을 수행한다. 이제 확장할 준비가 되었으며 복잡한 과정을 거칠 필요가 없이 물만 추가하면 된다. 1시간 후에 조직 조각은 원래보다 100배 더 커진다. 

이 간단한 방법은 많은 과학자들을 놀라게 했다. 일부의 우려와 달리 특정 부위의 유연성이 다르기 때문에 예상되었던 왜곡도 발견되지 않았다. 모든 세포와 단백질이 비슷한 비율로 확장되었기 때문에 왜곡을 거의 찾을 수 없었다. 하지만 여전히 새로운 확장 현미경 기술은 뇌 조직에 중점을 두고 있어 다른 조직에서는 어떻게 작동할지 알 수 없는 상태다.

진정으로 과학자들을 놀라게 한 것은 이 기술이 저렴하다는 것이다. 대부분 생물학 실험실은 이미 필요한 도구를 갖추고 있고 단지 몇 종류의 화합물과 성능 좋은 현미경만 있으면 된다. 약 50만 달러짜리 현미경으로 생물학 연구를 혁명적으로 변화시킬 수 있는 고해상도 관찰이 가능해지는 것이다.

또한 학습도구로서도 훌륭한 역할을 할 수 있을 것이다. 생물학을 배우기 시작할 때 너무 작은 구조물을 상상하기 어렵지만 고해상도 자료에 접근하기도 어렵다. 하지만 이제부터는 전례 없는 배율로 사람의 조직을 볼 수 있고 고등학생도 뇌의 시냅스를 보면서 교육 현장에서 새로운 영감을 일으킬 수 있는 것이다. 병리학자도 조직검사를 보다 빨리 실시하여 정상적인 세포와 병든 세포를 쉽게 구분할 수 있게 된다. 이런 응용분야는 실험실을 너머 확장될 수 있다.