기존 현미경으로 세포 내부의 고유 특성을 분석하려면 형광 염색 등의 과정을 거치게 되는데, 최근 국내 연구진이 이러한 세포 외부의 침습적인 조작이 세포 소기관에 어떠한 영향을 미치는 지를 정량적으로 밝혀냈다.

울산의대 서울아산병원 융합의학과 백찬기·김준기 교수팀은 광회절 단층촬영(Optical Diffraction Tomography, 이하 ODT) 기술을 활용해 세포 내외부의 화학 및 유전학적 변화에 따른 세포 소기관들의 미세 환경 변화를 분석했다.

그 결과 다양한 세포 전처리 과정 이른바 세포 고정, 온도 변화, 형광 염색, 유전자 조작, 특정 소기관 형광 지표 등을 시행한 경우 세포의 본질적인 특성이 손상될 수 있음을 확인했다.

세포를 고정하거나 온도가 높아짐에 따라 세포 소기관들의 굴절률 값이 전반적으로 감소했으며, 세포핵과 달리 세포질과 소기관 등의 세포 내부 구성 요소들이 상당 부분 소실된 것을 관찰할 수 있었다.

특히 형광 염색을 위한 세포 고정과 특정 녹색형광단백질(GFP) 유전자 발현은 세포 밀도를 뚜렷하게 변화시키는 것을 확인했다.

또한 특정 소기관 형광 지표의 경우 전처리를 하지 않은 세포와 비교해 비침습적인 관찰 방법으로 활용 가능함을 파악할 수 있었다.

ODT 기술은 세포 내부로 빛을 조사해 산란된 빛을 수집하고, 표준 광원을 이용한 홀로그램 방식으로 3차원 영상을 재현해 낸다. 이를 통해 세포 전처리 과정 없이도 비침습적인 방식으로 투명한 세포를 실시간 관찰할 수 있을 뿐 아니라 세포 소기관의 굴절률과 부피 등 다양한 물리적 정보를 획득할 수 있다.

전통적인 현미경은 전처리 과정이 불가피해 세포의 본질적인 특성을 관찰하는 데 한계가 있었다. ODT 기술은 이러한 제약을 극복해 생명과학 및 의학 등 다양한 응용 분야에서 주목받고 있다는 게 연구팀 설명이다.

김준기 울산의대 서울아산병원 융합의학과 교수는 “이번 연구를 통해 세포 내 변화를 최소화하는 방법을 확인할 수 있었으며, 세포의 고유한 특성을 분석하는 새로운 접근법을 제시할 수 있었다”고 말했다.

이어 그는 “비표지 ODT 기술을 활용하면 세포 관찰을 계획하고 수행할 때 더 정확한 측정과 의미 있는 결과를 얻을 수 있다”며 “이 기술은 기초 생물학적 세포 연구에만 국한되는 것이 아니라 질병의 진단이나 면역세포 및 암세포 관찰 등 다양한 세포 분석 분야의 기반이 될 것으로 기대된다”고 밝혔다.

이번 연구 결과는 분석화학 분야 권위지인 ‘애널리티컬 케미스트리(Analytical Chemistry, 피인용지수 7.4)’ 최신호에 게재됐으며, 연구에서 사용된 헬라(HeLa) 세포 소기관 3차원 영상이 표지로 선정됐다.