생명의 기본단위인 세포를 구성하는 분자와 소기관의 기능은 각종 질병과 깊은 관계가 있기 때문에 세포를 직접 관찰하는 것은 질병을 이해하는 데 매우 중요하다. 분자와 소기관의 상태를 직접 관찰하고 필요한 정보를 정량적으로 분석할 수 있는 최첨단 현미경기술을 지원하고 있는 서울아산병원 융합연구지원센터 세포영상 코어랩을 소개한다.

박테리아 단층구조를 보고 싶어요.

기능성 담도 스텐트 개발을 진행하던 서울아산병원 소화기내과 O교수는 동물모델에 사용했던 스텐트에 부착된 박테리아층을 직접 관찰하고자 세포영상 코어랩에 자문을 요청했다. 여러 시행착오를 거치면서 각각의 실험 대비군에서 얻어진 스텐트 조각을 이용해 전자현미경 분석을 진행한 결과 흥미롭게도 스텐트 안쪽 면에 생성된 바이오 필름과 각종 균류에 대한 명확한 차이를 확인할 수 있었다. O교수는 연구 결과를 저명한 국제 학술지에 게재했고 세포영상 코어랩은 전자현미경을 이용한 스텐트 분석법을 확립할 수 있게 됐다.

관찰하고 싶은 단백질이 있습니다.

유전성 크론병 연구를 수행하던 서울아산병원 소아청소년과 O교수는 HTS코어랩과 크론병 관련 돌연변이 단백질의 생화학, 세포생물학분석을 마친 뒤 이들 단백질을 세포에서 직접 관찰해보고 싶다며 세포영상 코어랩을 찾았다. 형광단백질을 태깅한 단백질을 살아있는 세포에 발현시키는 방법과 고해상도 컨포컬현미경법을 사용한 결과 각 변이 단백질의 세포 내 운동 특성의 확연한 차이를 발견할 수 있었다.

살아있는 호산구는 어떤 성질을 가지고 있을까요?

천식에 대한 연구를 수행하는 서울아산병원 알레르기내과 O교수는 호산구의 물리적 특성에 의문을 가지고 세포영상 코어랩을 찾았다. 세포영상 코어랩에서는 무표지 3차원 세포영상기술을 서울아산병원 융합의학과 O교수가 전문으로 하는 라만분광법에 연계하여 살아있는 호산구의 소기관을 형광표지 없이 영상화하고 정량 분석했다. 그 결과 천식환자 및 정상인으로부터 얻어진 각각의 호산구의 물리화학적 성질(소기관 밀도)이 크게 다르다는 사실을 처음으로 밝혔다. O교수는 이 연구 결과를 바탕으로 국제 학술지 발표와 특허출원을 준비하고 있다.

조로증 원인단백질의 특성을 정량화하고 싶어요.

핵막을 구성하는 단백질인 라민의 돌연변이는 조로증을 유발한다. 라민 연구로 국제적으로 저명한 미국 노스웨스턴대학과 일본 동경공업대학의 공동연구팀이 세포영상 코어랩에 도움을 요청했다. 이 돌연변이의 새로운 분자기전을 발견했는데 해당 인자가 살아있는 세포에서 보여주는 운동 속도가 약물 처리에 따라 변화하는지가 기전의 증명에 중요하다는 것이었다. 세포영상 코어랩에서는 살아있는 세포 내에서 직접 단백질의 운동 속도를 정량 분석할 수 있는 형광상관분광법을 이용하여 분석을 진행하고 있다.

세포 안에는 무수히 많은 분자가 존재한다. 특히 살아있는 세포의 경우 이들 분자는 시공간적인 제어를 받으며 때로는 소기관을 형성하기도 하고 때로는 기능을 발휘할 장소로 이동하기 위해 빠르게 운동한다. 이러한 다이내믹한 시공간적 구조변화와 분자운동을 검출하고 세포의 생명현상을 보다 상세히 이해할 수 있게 해준 것이 첨단 현미경이다. 다양한 생리적 조건에 따라 세포 내에서 일어나는 무수한 현상은 현미경의 발전으로 인해 우주의 별들을 관찰하는 것만큼 흥미롭고 경이로워졌다.

서울아산병원 융합연구지원센터 세포영상 코어랩은 세포의 초미세구조를 영상화하는 각종 전자현미경기법(TEM/SEM), 특정 분자와 세포소기관을 초고해상도로 영상화하는 공초점현미경기법(CLSM/Airyscan), 단백질의 운동 속도와 상호작용을 살아있는 세포에서 직접 분석하는 형광상관분광법(FCS/FCCS), 형광 표지 없이 세포와 소기관을 고속으로 3차원 영상화 하는 광학회절 토모그래피(ODT)를 통합적으로 연계하여 세포에서 일어나는 다양한 현상을 영상화하고 정량적으로 분석할 수 있다.

특히 살아있는 세포의 관찰은 설정한 조건에 따라 다양한 변화를 직접 검출할 수 있어서 고전적인 세포 이미지와는 다르게 새로운 아이디어나 연구 테마를 효율적으로 탐색하는 데 유용하다. 서울아산병원 융합연구지원센터 백찬기 교수는 국내에서 분광학으로 학위를 준비하던 도중 물리학과 의학의 접점이 되는 연구에 흥미를 느껴 일본 홋카이도대학으로 건너가 CLSM과 FCS를 이용한 생화학/세포생물학적 연구로 학위를 받았으며 일본 이화학연구소를 거쳐 2014년에 서울아산병원에 합류해 세포영상 코어랩을 책임지고 있다. 현재까지 26년째 현미경 융합연구에 몸담아 온 백찬기 교수는 최근 5가지 상보적 현미경기법을 통합하여 중개연구에 적용할 수 있는 통합 플랫폼을 확립했다. 현미경 관련 기술은 많은 노벨상을 획득할 만큼 과거에도 지금도 계속 발전하고 있다. 반면 이러한 최신 현미경기법을 사용하여 다양한 질환연구에 응용하는 것은 아직까지도 큰 과제로 남아있다. 서울아산병원에 쌓여있는 수많은 임상적 연구재료는 보물섬에 쌓여있는 가공되지 않은 보석에 비유할 수 있다. 세포영상 코어랩은 세포를 이용해 연구 주제를 발굴하거나 발전시키고 싶은 연구자의 연락을 기다리고 있다.

서울아산병원 융합연구지원센터 세포영상 코어랩

•담당교수 : 서울아산병원 융합연구지원센터 백찬기 교수 

•위치 : 서울아산병원 아산생명과학연구원 융합연구관 8층

•연구 지원 서비스

   - 공초점현미경기반 초고분해능 소기관 3D/4D 영상 분석

   - 형광상관분광법기반 단백질-단백질 상호작용 정량분석

   - 전자현미경기반 초미세구조 영상분석

   - 무표지 광학회절토모그램법기반 소기관 3D/4D 영상분석

   - 엑소좀 및 나노물질에 대한 특성분석

   - 5가지 기법을 연계한 토탈 솔루션 제공