이번 포스트부터는 현미경(microscope)에 대해서 다뤄보도록 할게요.
현미경에는 엄청나게 많은 종류가 있어요.
광학현미경, 위상차현미경, 형광현미경, 미분간섭현미경, 초고해상도현미경, 전자현미경 등등......
요 녀석들을 하나하나 분류하고 각각의 특징을 살펴보는 것만 해도 대학원에서 한학기에 걸쳐 가르쳐야 할 만큼 엄청나게 내용이 많은데요.
이런 자세한 사항들에 대해서는 다음 기회에 알아보는 것으로 하고;;
이번 포스트에서는 대표적인 현미경 몇 가지에 대한 핵심적인 특징에 대해서만 알아보도록 할게요.
일단 현미경 각각에 대한 각론을 들어가기 전에
현미경을 이해하기 위한 총론적인 내용부터 간단히 짚고 넘어가도록 할게요.
일단 현미경의 특징을 나타내 줄 수 있는 가장 핵심적인 인자가 있는데, 바로 분해능(resolution)이에요.
분해능은 서로 인접해있는 두 물체를 두 개라고 인식할 수 있는 최소 거리값을 의미해요.
말만 들으면 어려우니까 그림을 바탕으로 다시 살펴볼게요.
위 그림에서 (b)와 (c)를 살펴볼게요. (b) 자료를 보면 2개의 점이 잘 구분되어 보이죠? 그런데 (c)를 보면 2개의 점이 거의 1개처럼 보여요.
어떤 현미경이든 2개의 점을 서서히 가까이 모이게 하며 관찰하다 보면 특정 시점에서부터 2개의 점이 1개로 보이게 되기 시작할텐데요....
2개의 점을 2개다! 라고 말할 수 있는 두 점 사이의 최소거리가 바로 분해능(resolution)이에요.
자, 그럼 이제 정의를 바탕으로 간단한 문제를 생각해보죠.
아주 성능이 좋아서 두 점을 보다 더 세밀하게 구분해서 볼 수 있는, 성능이 좋은 현미경은 분해능 값이 클까요, 작을까요?
정의 내에 '두 점 사이의 최소거리'가 있다는 것을 참고한다면, 분해능 값이 더 작다는 것을 알 수 있겠죠?
(두 점을 보다 세밀하게 구분해 볼 수 있을수록, 구분 가능한 두 점 사이의 최소거리 값은 더 작아지겠죠)
다음으로, 분해능을 구체적으로 어떻게 계산하는지에 대해 알아볼게요.
분해능은 위와 같은 수식으로 표현할 수 있어요.
이 때 λ는 빛의 파장을 의미하고 nsinθ는 개구수(numerical aperture, NA)를 의미해요.
그럼 왜 분해능이 λ, 즉 빛의 파장에 비례하는 것일까요?
현미경은 종류에 따라 다양한 종류의 파장을 가진 빛을 사용하는데요.
조금만 생각해보면, 빛의 파장보다 더 짧은 거리로 떨어진 두 점은 물리적으로 절대 구분할 수 없다는 걸 알 수 있어요.
따라서 빛의 파장과 분해능은 비례 관계를 가지고 있어요.
다음으로 분해능은 왜 개구수, 즉 NA에 반비례하는 것일까요?
개구수는 쉽게 말해 상대적인 렌즈의 크기를 의미해요.
따라서 개구수가 크면 클수록 렌즈가 커지므로 받아들일 수 있는 빛의 양이 많아진다고 볼 수 있어요.
그런데 받아들일 수 있는 빛의 양이 많아지면 어떻게 될까요? 당연히 상이 더 선명하게 맺히겠죠?
결과적으로 개구수가 커서 상이 선명하면 선명할수록 두 점을 구분하는 능력이 더욱 더 좋아질 것이고,
결과적으로 개구수가 클수록 분해능은 작아지게 되는 것이죠.
이제 본격적으로 광학현미경(light microscope)에 대해 알아보도록 할게요.
광학현미경은 가시광선(visible ray)을 사용해서 물체를 확대관찰하는 현미경이에요.
그런데 광학현미경을 사용할 때 있어서 가장 문제가 되는 것은 바로 미세구조들 간의 대비(대조)를 극대화해야한다는 거예요.
이게 무슨 말이냐...
우리가 주로 관찰하는 세포같은 대상들은 모두 기본적으로 투명해요.
따라서 이들의 세부구조를 파악하기 위해서는 어떤 방식으로든 경계와 주변간의 대비(대조)가 극대화되어야 해요.
그러면 어떻게 대비를 극대화시킬 수 있을까요?
가장 쉽게 생각할 수 있는 방법은 역시 시료를 염색한 뒤에 관찰하는 것이겠죠.
이런 방식을 이용해 대비를 극대화시키는 현미경을 명시야 현미경(bright-field microscope)이라고 불러요.
다만 시료를 염색하는 과정에서 시료가 훼손될 가능성이 크기 때문에 이 방법은 살아있는 세포를 관찰하기에는 적합하지 않다는 단점이 있어요.
이런 단점을 보완하고자 대안적인 대비 방법이 많이 제안되었는데요.
대표적인 예로는 빛을 비스듬하게 비추어서 명암차에 따라 대비를 극대화시키는 암시야 현미경(dark-field microscope), 두 빛이 다른 부위를 통과할 때 발생하는 간섭효과를 이용해 대비를 극대화시키는 위상차 현미경(phase-contrast microscope), 미분간섭 현미경(differential-interference-contrast microscope) 등이 있어요.
각각의 자세한 작동원리를 설명하는 것은 세포생물학의 범위를 넘어가는 듯 해서 다른 포스트에서 따로 다루도록 할게요.
지금까지 광학현미경의 기본적인 종류에 대해 알아봤는데요.
이제 구체적으로 현미경 관찰을 위한 sample을 어떻게 준비하는지에 대해 알아볼게요.
예를 들어 우리가 광학 현미경으로 특정 조직을 관찰하고 싶다고 해보죠.
이 때 조직(tissue)은 일반적으로 두꺼운데, 두꺼운 상태의 조직에는 빛이 완벽히 투과하지 못해서 광학 현미경으로 관찰하지 못해요.
따라서 우리는 조직을 얇게 썬 section을 만들어주어야 해요.
그런데 무작정 조직을 얇게 썰려고 하면 조직이 너무 물렁물렁해서 생각보다 쉽지 않아요.
그래서 이 때 조직을 조금 더 딱딱하게 만들어주기 위해서 가장 흔히 사용될 수 있는 방법이 바로 조직을 얼린 뒤에 slice하는 방법이에요.
그런데 무작정 조직을 얼려버리면 조직이 제 형태를 유지하지 못하고 아무렇게나 얼어버릴 수 있어요.
그래서 얼리는 과정에서 조직의 형태를 보존해주기 위해서 설탕(sucrose)을 이용해서 세포를 코팅하는 방법을 많이 사용해요.
이 밖에 참고로 조직을 딱딱하게 만들어주는 대신 아예 세포의 틀을 paraffin 등을 이용해 molding한 뒤에 slice를 떠 주는 방법도 있어요.
정리하자면 빛이 잘 투과하는 얇은 굵기의 조직 section을 만들어주기 위해서 sucrose 처리에 이어서 조직을 얼린 후 slice를 만들거나, 혹은 paraffin을 이용해 세포의 모양을 molding한 뒤에 slice를 만드는 방법이 사용될 수 있어요.
이번 포스트에서는 현미경 전반에서 사용되는 매우 중요한 개념인 분해능을 알아보았고,
이어서 광학 현미경의 기본적인 내용에 대해 알아봤어요.
다음 포스트에서는 세포 내부의 특정 구획들을 보다 더 확실히 구분되게 관찰할 수 있는 형광 현미경(fluorescence microscope), 공초점 현미경(confocal microscopy), 다광자 현미경(multiphoton confocal microscopy)와 같은 현미경법에 대해 알아보도록 할게요.
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