UNIST(총장 정무영)는 박정훈 생명과학부의 교수와 멩 쿠이(Meng Cui) 미국 퍼듀대 교수팀이 공동으로 '다개구 보정광학 현미경'을 개발했다고 17일 밝혔다.

이 광학현미경 기술을 이용하면 넓은 영역(450㎛×450㎛)의 생체조직 내부를 광학 현미경으로 실시간 관찰 가능하다. 가령 살아있는 쥐의 뇌 속 신경세포와 혈관 등 생체 내부 깊숙한 곳을 고해상도로 확인할 수 있다.

광학 현미경은 빛으로 세포 같은 미세한 물체를 비춰 상(image)을 확대하고 관찰한다. 이때 관찰대상이 되는 세포나 조직은 얇게 잘라야 한다. 시료(sample)가 너무 두꺼우면, 광초점을 제대로 형성하지 못해 고해상도 이미지를 얻기 어렵다.

생체조직을 이루는 세포는 지질이나 단백질 등 다양한 물질로 이뤄진다. 빛의 경로는 이들 물질의 경계면마다 달라진다. 따라서 관찰 지점에 광초점을 형성하기 위해 입사된 빛은 무작위적으로 퍼진다. 이러한 복수산란 문제로 생체 깊숙한 부분에 초점을 못 만들어 고해상도 이미지를 얻지 못하게 된다.

그런 가운데 박정훈 교수팀은 생체조직에서 왜곡되는 '빛의 파면(wavefront)'을 조절해 이러한 문제를 해결할 기술을 개발하고, 고해상도 이미지를 얻는 기술인 다개구 현미경 시스템을 세계 최초로 개발했다. 

빛은 나아가면서 일정한 주기의 파동을 이룬다. 이 파동의 마루끼리 연결하면 빛의 파면이 생기며, 이 모양에 따라 빛의 진행이 달라진다. 박 교수팀은 생체조직에서 빛의 파면이 어떻게 왜곡되는지 측정해 이를 상쇄할 방법을 찾아냈다.

광학 현미경에서도 빛을 특정 경로로 나아가도록 설계하면 빛의 모든 성분들이 목표 지점에서 보강 간섭을 이뤄 고해상도 이미지를 얻을 수 있다. 

연구진이 이에 대한 기술을 적용해 만든 다개구 현미경은 하나의 대물렌즈를 마치 여러 개의 독립적인 렌즈처럼 사용한다. 대물렌즈의 입사평면을 복사·분리해 각각의 개구마다 서로 다른 파면으로 빛을 입사시킨다.

또 연구진은 총 9개의 독립적인 개구를 구현해 서로 다른 깊이에 대한 정보를 동시에 얻었다. 살아있는 쥐의 뇌에서 고해상도 뉴런 분석과 미세아교세포의 면역 활동, 뇌혈관의 깊이별 동역학까지 관찰했다.

박정훈 교수는 "뇌 활동을 이해하려면 넓은 영역에 분포된 뇌세포 사이에서 역동적인 연결 관계를 직접 봐야한다"며 "이번 기술로 뇌뿐 아니라 살아있는 생체조직 깊숙이 고해상도로 실시간 관찰할 수 있는 창(window)이 생긴 셈"이라고 말했다. 

이번 연구결과는 네이처(Nature) 자매지로 생화학 연구방법 분야 세계 최고 권위지로 꼽히는 네이처 메소드(Nature Methods)에 지난 9일자로 발표됐다.