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Just Because..../Science·Math

2014 노벨화학상 수상자들과 형광현미경: Eric Betzig,William Moerner & Stefan Hell

by Helen of Troy 2014. 10. 9.

 

2014년 노벨화학상을 공동 수상한 베찌그, 모너와 헬씨

Eric Betzig and William Moerner of the US and Stefan W Hell of Germany

Photograph: AP

 

 

 

10월 8일 오늘 왕립스웨덴 과학 아카데미는 2014년 노벨 화학상 공동수상자로  

독일 과학자 슈테판 헬(Stefan W. Hell)씨와

두 미국인, 에릭 베찌그(Erkc Betzig)씨, 윌리엄 모너(William E. Moerner)선정했다고  발표했다.

 

이들이 노벨화학상을 수상하게 된 이유는

지난 몇세기동안 현미경으로 살아있는 세포를 제대로 잘 관찰을 못하던 오래된 숙제를

형광물질을 사용해서 초해상력을 갗추어서 나노테크놀로지 차원의

초정밀/초해상력 영상기법을 창안해서 형광현미경(fluorescence microscope) 을 개발할 수 있는 토대를 마련했다.

아울러 지금까지 더 높은 해상력을 발휘하지만 샘플을 준비하고 관찰하는 과정으로

죽은 샘플을 관찰하는 전자현미경과 달리

리얼타임으로 살아있는 세포와 생명체를 관찰 할 수 있을 뿐 아니라,

이 테코놀로지를 사용해서 의학적으로 다양한 연구에 지대한 영향을 미칠 것을 예상해서

이 권위있는 상을 받게 되었다.

 

이번 노벨화학성은 개인적으로 관심이 많은 분야이기도 하고 

개인적으로 직접적인 경험도 있어서 오늘 기사를 꼼꼼히 잘 챙겨 읽고

관련된 내용의 글을 인터넷으로 검색을 해서 자세하게 분석을 하면서 읽어 보았다.

 

특히 신소재 재료공학을 전공하던 나의 졸업논문은 인조뼈와 관절에 관한 것으로

공대실험실과 의대 정형학과 실험실에 있던 전자현미경(scanning electronic microscope)으로

세포조직과 인조뼈의 소재 금속입자  샘플을 1000배에서 약 500,000배로 확대된 2000여장의 사진을 일일이 직접 찍고 암실에서 몇달간 어렵사리 찍은 수많은 사진들을 산냄새에 절어서 현상했던 경험이 있고,

두번째 이유는 현재 화학, 물리, 생물을 가르치는 선생으로,

생물수업에서 다루는 현미경기술의 발달부터, 유전자공부, 유전공학을 다루고

화학과목에 빠지지않고 등장하는 원소 그리고 원소보다 더 작은 입자의 실태와 구조,

그리고 빛을 비롯해서 EMR에 두루 연관된 이 수상소식이 개인적으로 큰 의미로 다가왔다.

이래서 직업은 못 속인다는 말이 당연한가 보다. 

 

 

 

전세계의 많은 과학자들이 형광현미경을 사용해서 살아서 활동중인 생명체를 연구할 수 있게 되었다. 

 

 

스웨덴 스톡홀름에 위치한 스웨덴 왕린 과학 아카데미가

2014년 노벨화학상을 발표하기를 기다리는 많은 저널리스트들...

 

 

과거 1910년에서 2013년까지 100여년간 노벨화학상 수상자들의 평균연령을 보여주는 그라프에 의하면

평균나이가 58세로 나타났다.

 

 

참고로, 과거 노벨화학상 수상자들 중에서

가장 유명하고 인기있는 톱10 리스트이다.

 

 

 

이번 화학상 수상은 나노 차원의 형광현미경의 기술발달에 관련되었기에

그동안 현미경의 발달역사를 잠시 돌아보면...

 

 

현미경의 역사와 발전

 

  1590 – 네덜란드 출신 렌즈제작자인 한스 & 자카리아스 얀센(Hans and Zacharias Janssen)가

              두개의 렌즈를 튜브에 장착하면서 첫 현미경을 제작했다.

 

  1667 -  영국인 로버트 후크(Robert Hooke) 가 현미경을 사용해서 다양한 이미지를 기록해서

              Micrographia 에 출판했다. 그리고 나무의 죽은 세포인 코르크의 이미지를 묘사하면서

              작은 방이라는 뜻을 지닌 'cell'(세포)라는 단어를 처음 사용한 과학자이다.

 

  1675 - 네덜란드출신이며 당시 렌즈제작자의 달인인  안톤 반 레벤후크(Anton van Leeuwenhoek)가

             자신이 직접 개발한 렌즈 하나를 사용한 현미경(simple microscope)

            사용해서 혈액, 다양한 곤충, 박태레아등 관찰해서 미생물학의 시초를 세웠다.

 

  18세기  현미경 제작기술이 지속적인 발전으로 과학자들에게 현미경이 필수적인 기기로 각광을 받기 시작했고,

             빛이 렌즈를 통과하면서 발생하는 굴절현상으로 이미지의 질이 떨어짐을

             두개의 다른 종류의 렌즈를 사용해서(composite microscope) 후광(halos)현상을 감소시켰다. 

 

  1830 조세프 잭슨 리스터(Joseph Jackson Lister)씨가 렌즈의 둥근모양으로 오는 이미지 문제를

              다수의 도수가 약한 렌즈를 일정한 간격으로 배치한 현미경을 사용해서

              확대된 이미지의 해상력을 높였다. 

 

  1878 독일의 언스트 아베(Ernst Abbe)가 빛의 파장과 이미지의 최상의 해상력의 관계를 정립하는

              수학공식을 개발해서 이미지의 전반적인 해상력 증가를 가져왔다.

              참고로, 현재까지 질좋은 렌즈를 만들고 있는 칼 자이스 회사의 공동소유자이기도 했다.

                             d = \frac{\lambda}{2 NA}

 

 

  1903 리차드 찌그몬디(Richard Zsigmondy)가 최초로 빛의 파장보다 짧은 물체를 볼 수 있는

              현미경을 개발했다.  이 공적으로 그는 1925년 노벨화학상을 수상했다. 

 

  1932 프리츠 체르니케(Frits Zernike)가 phase-contrast 현미경을 발명해서 

              무색이나 투명한 생물을 관찰연구할 수 있게 되었다. 

 

  1938 언스트 루스카(Ernst Ruska)가 지금까지 현미경 이미지의 소스인 빛 대신에

              전자를 사용하는 elctron microscope을 개발해서 현미경의 해상력의 막대한 증가를 가져와서

              미생물연구를 비롯해서 입자의 구조에 이르기까지 광범위하게 과학의 발달을 가져다 주었다. 
 

  1981 게르트 비니크 & 하인리치 로러(Gerd Binnig and Heinrich Rohrer)가 

              당시까지 2차원의 평면적인 이미지을 넘어서서 최초로 3차원의 입체적으로

              모든 물체를 이루는 극히 미세한 입자(atom)차원으로 이미지를 볼 수 있는

              scanning tunneling microscope를 발명했다.

              참고로, 이 공적으로 1986년 노벨물리학상을 수상했다.

 

 

 

 

 

 형광현미경의 기술에 오기까지...  

 

형광현미경으로 관찰할 수 있는 영역을 쉽게 보여주는 도표

이 현미경 덕분으로 10억분의 1 미터의 작은 입자까지

볼 수 있는 대단한 위력을 갖춘 현미경이다.

 

 

에너지를 얻은 전자입자들이 excited level 되었다가

전자입자가 얻은 에저지가 빛이나 형광으로 다시 내놓으면서 원래 위치로 돌아온다.

 

 

Schematic of a fluorescence microscope

 

 초입자를 다루는 나노테크놀로지를 도입한 나노스코피(nanoscopy) 덕분에

살아있는 생물의 세포내의 분자별로 직접 눈으로 볼 수 있게 되었다.

 

 

현재까지 개발된 최고의 해상력은(resolution power)는 200 나노미터(nm=10억분의 1미터) 였는데

이는 사람의 머리카락보다 500배에 해당하는 길이이다.

이 형광현미경으로는 해상력이 2 나노미터의까지 볼 수 있게 되었다.

 

 

Single Molecule 현미경의 과학적인 배경

  

 

 

 형광현미경의 세 주인공들  

 

이번 노벨상을 공동수상한 독일과학자 헬(Hell)씨는 젊어서 Turku 대학에서 연구하던 당시에

과학자들이 풀기 어렵다고 여기던 이 문제를 풀어보기로 작정을 하고

형광현상을 도입한 형광현미경 제작에 연구를 몰두했다.

그는 형광입자들이 에너지가 가해지면, 세포조직에 붙어서

형광입자의 영향을 받아서 에너지를 얻은 전자들이 에너지를 형광으로 다시 환원하면서 빛을 발하면서

세포의 미세한 조직과 활동을 볼 수 있다는 데서 아이디어에서 착안을 했다.

 

하지만 여전지 유전자가 담긴 DNA의 두개의 끈이 꼬인 모습까지 볼 수 있었지만

개별적인 구조까지는 불가능했다. 

1994년에 그는 STED(Stimulated Emission Depletion)이라는 기술을 개발하기에 이르렀는데,

이는 아주 환한 플라쉬전등에 해당한 레이저 빔 이라고 보면 된다. 

일정한 주파수의 빛을 샘플에게 비추면 형광물질 분자가 에너지를 얻을 동안,

두번째 발사한 빛은 생플의 이미지에서 발생된 후광을 없애주면서 나노차원의 이미지를 제공해주는 기법이다.

 

한편, 윌리엄 모너 씨는 분자의 형광현상을 조절하고 제어하는 연구에 주력했다.

그는 빛의 특정한 주파수가 입자들을 활성화시킨다는 것을 발견한 후에

초록색 형광입자를 지속시킬수도 있고, 끄고 켜는 스위치를 하는 방법을 개발했다.

그래서 평범한 현미경이 이 초록빛의 형광물질을 과학자들이 입자별 관찰 할 기법을 마련했다.

1990년대에 이미 그는 1 나노미터밖에 되지 않은 극소한 분자를 구분하는 첫번째 인물로 알려졌다.

 

모너의 형광물질에 관한 연구를 토대로 베찌그씨는 같은 분야에 관한 연구생활을 오래 하다가

연구계의 환멸을 느끼던 차에, 아버지의 가업을 이어 받기 위해서 사업가로 활동하기도 했다.

그러다가 다시 연구일을 다시 시작한 그는 2005년에 형광물질분야에 대박을 터트리게 된다.

그는 스위치를 자유자재로 끄고 킬 수 있는 형광프로틴(단백질)을 이용해서

당시까지 이론적으로 가능하다는 해상력을 훨씬 뛰어넘는 이미지를 기록하는 기술법을 개발한 것을

주요 과학저널에 출판했다.

이 이미지 기법은 살아있는 생물체의 세포를 그대로 관찰할 수 있을 뿐 아니라

그 세포들의 활동을 방해할 수도 있어서  이 single-molecule 현미경 영상기법은 현재 널리 사용되고 있다.

 

2014년 노벨화학상 공동수상한 이 세 과학자들은 여전히 형광분자의 특성을 이용해서

다른 과학분야의 발전을 위해서 연구를 하고 있는데,

헬씨는 요즘 인간의 뇌세포들이 어떻게 작동하는지 연구중이고,

모너씨는 헌팅턴 병을 유발하는 원인으로 알려진 단백질에 관한 연구를,

그리고 베찌그씨는 막 수정된 태아(embryo)의 세포분열에 관한 연구를 하고 있어서

현재는 불치병으로 알려진 각종 암, AIDS, 헌팅턴병, 파킨슨병, 치매의 치유도

가까운 미래에 가능하다는 희망을 안겨주고 있다.

 

 

 

 

형광현미경으로 담은 이미지 갤러리  

 

Endothelial cells under a fluorescence microscope

 

 

fibroblast cells (connective tissue) captured using fluorescence microscopy

 

 

포유동물의 세포의 필라멘트가 담긴 이미지

A network of filaments in a mammalian cell revealed by fluorescence microscopy.

Photograph: Stefan W Hell/Division of Optical Nanoscopy/German Cancer Research Center

 

 

 

양의 혀 세포 (Sheep Tongue Tissue)

Photo: Nikon

 

Mammalian Cells
Fluorescence double-labeling of mammalian cells. T

he DNA in the cell nuclei are shown in blue.

Cytoplasmic fiber structures (microfilament) are shown in green.

Photo: Petra Björk, Stockholm University

 

 

동맥혈관내의 조직세포 - Endothelium Cells
Triple fluorescence staining of endothelium cells from a pulmonary artery.

 

 

염색체와 세포 핵 - Chromosomes and Nuclei
Fluorescence triple-labeling of human cells.

The DNA in two interphase cell nuclei (left and right)

and in metaphase chromosomes from a third cell (middle) are shown in blue.

Specific DNA sequences are labeled in red and green.

Photo: Petra Björk, Stockholm University

 

 

염색체 - Chromosomes
Double fluorescence staining of chromosomes

Photo: Zeiss

 

 

신경세포 - C. Elegans Nervous System
The image shows the brain region of a living C. elegans animal.

Different classes of neurons are labelled with different colors.

Photo: H. Hutter, Max Planck Institut, Heidelberg

 

 

세포의 분열 - Cell Division
Triple fluorescence staining of division of a Chinese hamster ovary cell.

Photo: Zeiss

 

 

Epithelium Cells
Immunofluorescence staining of epithelium cell (Hep-2) mitochondria.

Photo: Zeiss

 

 

 

그러고 보니 이 포스팅이 1,000번째 글이네요.

참 오랜시간동안 다양한 주제로 많은 글을 포스팅해서

글의 내용을 떠나서 1000이라는 큰 숫자의 글이 차곡차곡 쌓인 자체만으로

내 자신도 놀랍기도하고 뿌듯하다.

 

그래서 자축하는 의미로 이 블로그를 방문해주시고, 부족한 글을 읽어도 주시고,

댓글을 달아주신 분들에게 직접 만든 달콤한 케이크와 쿠키를 대접하고 싶은 마음을

전하기 위해서 이 공간에 차려 두었습니다.

 

눈으로라도 하나씩 천천히 맛을 보고 편히 머물다 가시길...