안녕하세요. 질문해주신 2014년 노벨 화학상을 수상한 과학자들의 가장 큰 혁신은 형광 분자를 정교하게 켜고 끄거나 개별 분자의 위치를 계산하는 방법을 개발하여 기존 광학 현미경의 회절 한계를 극복한 것입니다. 이를 초고해상도 형광 현미경 기술이라고 하는데요, 기존 현미경으로는 구별하기 어려웠던 나노미터 크기의 세포 내부 구조와 단백질의 위치, 움직임까지 관찰할 수 있게 되었습니다.
먼저 기존 광학 현미경에는 회절 한계라는 물리적 제약이 있었습니다. 빛은 파동의 성질을 가지고 있기 때문에 작은 물체를 통과하거나 반사될 때 퍼지는 회절 현상이 발생합니다. 이 때문에 서로 가까이 있는 두 물체에서 나온 빛이 겹쳐 보이게 되는데요, 일반적인 가시광선 현미경에서는 약 200나노미터보다 가까이 있는 두 구조물을 서로 구별하기 어렵습니다. 따라서 세포 내부의 작은 단백질이나 분자들이 어떻게 배열되고 상호작용하는지 자세히 관찰하는 데 한계가 있었습니다. 이러한 한계를 극복한 방법 중 하나가 에릭 베치그와 헬무트 슈테판의 공헌으로 발전한 단일분자 위치결정 현미경 기술입니다. 대표적으로 PALM이라는 기술이 있는데요, 이 방법은 형광 단백질을 한꺼번에 밝히는 대신 일부 분자만 선택적으로 빛나게 만듭니다. 형광 분자 하나가 빛을 내면 그 빛이 퍼져 보이는 둥근 형태를 분석하여 실제 분자의 중심 위치를 수십 나노미터 수준으로 계산합니다. 이후 빛나는 분자를 끄고 다른 형광 분자들을 켜는 과정을 반복하며, 이 과정에서 얻은 수많은 분자의 위치 정보를 컴퓨터로 합치면 기존 현미경보다 훨씬 정밀한 이미지를 만들 수 있습니다.
한편 W. E. 모어너는 단일 형광 분자를 직접 관찰하고 빛을 이용해 형광 분자의 상태를 조절할 수 있다는 사실을 입증한 선구적인 과학자인데요, 특히 특정 파장의 빛을 이용해 형광 분자를 켜거나 끄는 광물리적 특성을 연구함으로써 단일분자 관찰 기술의 발전에 중요한 기반을 마련했습니다. 또 다른 중요한 기술은 스테판 헬이 개발한 STED 현미경입니다. 이 기술은 형광 분자가 빛을 내는 영역을 매우 좁게 제한하는 방식으로 작동하는데요, 일반적인 레이저로 형광 분자를 활성화한 다음, 도넛 모양의 빛을 추가로 조사하여 중심을 제외한 주변 형광 분자들의 빛을 억제합니다. 결과적으로 매우 작은 중심 영역에서만 형광이 발생하게 되며, 이 과정을 통해 기존 회절 한계보다 훨씬 작은 구조도 구별할 수 있습니다.
이러한 기술의 발전은 생명과학 연구에 큰 변화를 가져왔습니다. 연구자들은 세포 내부에서 단백질이 어디에 위치하는지뿐만 아니라, 세포막에서 수용체가 이동하는 과정이나 신경세포 사이에서 단백질이 배열되는 모습 등을 더욱 정밀하게 관찰할 수 있게 되었고, 특히 세포 내부의 분자들이 정지된 구조물이 아니라 끊임없이 움직이고 상호작용하는 존재라는 사실을 이해하는 데 크게 기여했습니다. 감사합니다.