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[사진 1. (왼쪽부터) 유하준 학생(제1저자), 고관휘 박사(제2저자), 가석현 학생(제3저자), 김동현 교수, 베이징대학교 펭시 교수]

 

전기전자공학과 김동현 교수 연구팀이 기존 3차원 초고해상도 현미경의 고질적 한계였던 ‘깊이 해상도 문제’를 단순한 구조로 해결한 새로운 영상 기술을 개발했다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’에 10월 20일 게재됐으며, 관련 기술 연구 결과 또한 최근 ‘네이처 포토닉스(Nature Photonics)’에 게재됐다.

 

기존의 3차원 초고해상도 현미경은 가로·세로(XY) 해상도는 높지만, 깊이(Z) 해상도가 떨어져 세포 구조가 실제보다 늘어나 보이는 문제가 있었다. 이를 개선하려는 시도는 있었으나 장비가 지나치게 복잡하거나 비용이 높아 실용화에 어려움이 있었다.

 

김 교수팀이 개발한 ‘AXIS-SIM(거울 간섭 기반 3차원 초고해상도 현미경)’은 기존 현미경에 단순히 거울 하나만 추가하는 방식만으로 구현된다. 거울에서 반사된 빛과 특수 패턴 광이 간섭을 일으켜 깊이 방향까지 정밀한 조명을 만들고, 이를 통해 한층 선명한 3차원 영상을 얻을 수 있다.

[사진 2. (좌) ‘거울 간섭 기반 초고해상도 현미경(AXIS-SIM)’ 모식도, (우) 포 내부 구조를 촬영한 실제 영상]

 

연구팀은 실험을 통해 수평 108.5nm, 깊이 140.1nm의 해상도를 달성했다. 이는 기존 기술(약 300nm) 대비 두 배 이상 개선된 수치로, 가로와 깊이의 해상도 차이가 거의 없는 ‘등방성 3차원 영상’을 구현한 첫 사례 중 하나다. 

 

또한 이 기술을 활용해 살아 있는 암세포 내 미세소관과 리소좀의 미세 구조를 고해상도로 관찰하고, 리소좀이 초당 79nm 속도로 이동하는 과정을 실시간으로 추적하는 데 성공했다. 특히 속이 빈 리소좀의 나노 구조까지 포착해 세포 내 소기관 연구의 새로운 가능성을 제시했다.

 

연구팀은 “복잡하고 고가의 장비 없이 간단한 방식으로 3차원 초고해상도 이미징의 난제를 해결했다는 데 의의가 크다”며, “이번 기술은 신약 개발이나 질병 원인 규명에 기여할 뿐 아니라, 빛의 간섭 원리를 정밀하게 활용하는 만큼 양자광학·양자이미징 등 차세대 연구 분야로 확장될 수 있을 것”이라고 밝혔다.

 

이번 연구는 우리 대학교와 베이징대의 국제 공동 연구로 진행됐으며, 과학기술정보통신부가 주관하는 한국연구재단 기초연구사업(중견연구자지원사업) 및 국제기관간MOU지원사업(한중일특별협력사업)의 지원을 받았다.