텍사스 A&M 대학의 연구원들은 수년 동안 생물학적 이미징이 제한되어 있던 문제를 해결했습니다. 즉, 미세한 세포 세부 사항을 확인하는 동시에 살아있는 조직 내부를 깊숙이 관찰하는 것입니다.
새로운 현미경 기술은 100나노미터보다 작은 구조, 즉 인간 머리카락보다 약 1000배 더 얇은 구조를 손상되지 않은 샘플에 대한 깊은 이미지를 제공하는 능력을 포기하지 않고 분리합니다.
텍사스 A&M 농업 및 생명 과학 대학의 토양 및 작물 과학과의 생물 광자학 조교수이자 물리학 및 천문학과의 공동 교수인 Aart Verhoef가 이끄는 팀은 이번 연구 결과를 Journal of Biomedical Optics에 발표했습니다.
2PE-ISM-SOFI(초해상도 광학 변동 이미징과 결합된 2광자 여기 이미지 스캐닝 현미경의 약자)라고 불리는 그들의 방법은 표준 2광자 현미경에 두 가지 확립된 기술을 레이어하여 도달 범위를 줄이지 않고 해상도를 선명하게 합니다.
그 결과, 살아있는 세포와 조직을 이미징하는 데 가장 널리 사용되는 도구 중 하나인 기존의 2광자 현미경보다 약 5배 더 선명한 약 75나노미터까지 측면 해상도가 향상되었습니다.
Verhoef는 “이 기술은 깊이와 세부 사항에 의해 제한되는 두 가지 현미경 기술을 기반으로 하지만 이 기술을 사용하면 조직을 깊이 관찰하고 해상도를 향상시킬 수 있습니다”라고 말했습니다.
깊이와 디테일 사이의 격차 해소
2광자 현미경은 최소한의 손상으로 생물학적 시료를 깊숙이 들여다볼 수 있기 때문에 실험실에서 그 입지를 굳혔습니다. 이는 신경 과학 및 발달 생물학에서 토양, 동물 및 식물 관련 과학에 이르는 분야에서 살아있는 조직을 연구하는 데 필수입니다. 그러나 그 깊이에는 상충 관계가 있습니다. 미세한 세부 사항을 보는 것은 일반적으로 샘플 표면 근처에 머무르는 것을 의미합니다.
개발자들에게 2014년 노벨 화학상을 안겨준 자극 방출 고갈(STED) 및 광활성화 국소화 현미경(PALM)과 같은 초해상도 기술은 100나노미터보다 훨씬 낮은 특징을 분해할 수 있지만 일반적으로 표면에 가까운 부분만 분해할 수 있습니다. 새로운 방법은 간격을 줄여 2광자 이미징의 깊이 이점을 유지하면서 더 선명한 해상도를 확보합니다.
획기적인 발전으로 세포 수준에서 더 깊은 이해의 문 열림
팀은 PRX Life의 2024년 연구에서 접근 방식의 토대를 마련했습니다. 두 연구는 함께 현재의 방법이 허용하는 것보다 식물과 토양 생물학에 더 깊이 도달할 수 있는 이미징 도구의 길을 열어주며, 세부 사항을 위해 심도를 바꾸지 않고도 세포 수준에서 뿌리 구조, 식물-미생물 상호 작용 또는 질병 진행을 포착합니다.
토양 및 작물 과학부의 생물 광자학 연구원인 공동 저자인 Alma Fernandez Gonzalez는 신경 과학에서 식물 및 동물 생물학에 이르는 분야에 이 기술을 적용하는 데 시간이 걸릴 것이라고 말했습니다.
“의과대학 친구들은 더 깊고 자세하게 볼 수 있는 방법을 찾고 있습니다.”라고 그녀는 말했습니다. “이 연구를 위해 그들은 중뇌 도파민 뉴런을 배양하고 양자점으로 세포의 튜불린을 표지했습니다. 우리는 이 기술을 개선하기 위해 아직 더 가야 하지만 그렇게 할 수 있는 길을 봅니다.”
양자 과학에 대한 주 전역 추진의 일부
Texas A&M 연구 부서는 초고감도 바이오 이미징과 같은 양자 감지 도구를 포함하여 양자 과학을 응용 연구 우선순위로 삼았습니다. 텍사스 주의회는 주 전역에서 양자 연구, 자금 조달 및 제조를 안내하기 위해 2025년에 텍사스 양자 이니셔티브(Texas Quantum Initiative)를 만들었습니다. 현미경 프로젝트는 우선순위가 높은 계획에 따라 학제간 연구를 추진하는 과정에서 성장했습니다.
공동 저자는 토양 및 작물 과학부, 물리학 및 천문학부, 양자 과학 및 공학 연구소, 텍사스 A&M Naresh K. Vashisht 의과 대학의 신경 과학 및 실험 치료학과, 생물학과, 생물 의학 공학과 및 생물 및 농업 공학과에 걸쳐 있습니다.
Verhoef와 여러 협력자들은 8월 달라스에서 열린 제2차 Texas Quantum Summit에서 생물의학 및 농업에 대한 양자 감지에 관한 패널을 조직했습니다.
Verhoef는 “오랜 세월 동안 도전이었던 장벽을 깨고 새로운 조사와 발견의 문을 여는 것은 우리에게 흥미로운 일입니다.”라고 말했습니다.
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