Science
분자 자체에 대한 형광 이미지
장종엽엔에스
2010. 1. 2. 09:54
| KISTI 『글로벌동향브리핑』 2009-12-30 | ||||||
많은 생명 분자가 본질적으로 형광 성질을 갖고 있기 때문에 형광 이미징 기술은 특히 생물학자들에게 큰 도움이 되고 있으며, 생명 분자의 역할을 분광학적으로 분리하는 것은 매우 직관적인 정보를 제공하게 된다. 많은 생화학 기술들이 형광 표지 분자를 관심 대상인 비형광 분자에 부착하고 있지만, 위와 같은 방식은 생물학 분야에서 막대한 가능성을 잠재하고 있다. 최근 하버드대(Harvard University) 써니 지에(Sunney Xie) 연구진은 분자 자체의 성질을 변형하여 자극 방출(stimulated emission), 즉 레이저를 발생시킬 수 있었다. 본 방식은 두 가지 입사 레이저를 이용함으로써 작동한다. 전이 및 자극 혹은 탐침-펄스는 두 개의 독립된 광학 인자 진동기를 펌핑하는 모드잠금 진동기의 200 fs 펄스로 형성된다. 베타 바륨 보레이트(barium borate)에서 주파수가 두 배로 증가된 전이 빔은 590 nm이다. 자극 펄스는 내부공동 이중 구조를 갖고 있으며, 500-700 nm까지 조절될 수 있다. 또한 전이 펄스에 비해 약 300 fs정도 지연되지만, 초점에서 전이 상태의 생성이 가능할 정도로 충분히 길다. 전이와 탐침 빔은 분자 크기 이하로 초점을 맞출 수 없기 때문에 검출은 제약적이다. 따라서, 많은 입사 광자는 흡수되지 않고 통과하게 된다. 그러나, 전이 광자가 흡수되고, 탐침 광자가 자극 방출을 유도하면 탐침 빔에서 강도 증가가 나타난다. 자극 방출은 잘 알려진 물리 현상이지만, 형광 분자가 아니라 흡수 검출을 구현하는 것은 직관적이지 못하다. 왜냐하면 상대적 신호 자체는 여전히 매우 약하기 때문이다. 따라서, 이것이 유용하게 활용되기 위해선 고주파 변조 및 복조와 같은 또 다른 기술의 도입이 필요하다. 연구진은 자극 빔에서 주파수에 거스르는 프리즘 쌍을 갖는 음파-광학 변조기를 도입하였다. 변조기는 사각파 발생기에 의해 5 MHz에서 작동하며, 검출 광다이오드의 출력은 고정 증폭기를 통해 빔을 복조한다. 이전 기술들은 단일 빔 측정에서 흡수된 빛의 양을 측정함으로써 비형광 분자를 이미징하는데 주력해 왔었다. 하지만, 이러한 방식은 전이된 분자가 바닥 상태에서 보다 큰 반응성을 갖기 때문에 주변에 유해한 효과를 갖는 전이 상태를 형성하게 된다. 그러나 새로 개발된 방법은 전이 후에만 이미징 분자가 바닥 상태(ground state)로 되돌아 오기 때문에 위와 같은 문제를 극복할 수 있다. 연구진은 약 200 마이크로초에서 측정 가능한 신호를 얻을 수 있었는데, 이는 바이오 이미징에 사용되기에 충분한 속도이다. 하지만, 변조 기술을 이용한 획득 시간은 잡음의 한계가 있기 때문에 반복 속도 레이저를 통해 보다 큰 획득 속도가 유도될 수 있다. 한편, 이러한 방법도 분광학적으로 신호의 분리가 용이하기 때문에 구축이 용이한 형광 이미징의 신호 잡음비를 능가하지는 못한다. 그러나, 비형광 분자가 깨끗한 신호를 발생하지 못할 때 개발된 방법은 기존의 형광 현미경이 측정할 수 없었던 신호를 제공하게 된다. [그림] 분비기관 주변의 혈관 네트워크크에서 각각의 혈액 세포를 나타내는 쥐 귀의 마이크로모세관에 대한 자극 방출 이미지.
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