[세포생물학] 2.4 : 전자현미경(electron microscopy)

이번 포스트에서는 전자현미경에 대해 알아볼게요.

 

이전에 광학현미경 포스트에서 분해능(resolution)에 대한 개념을 살펴봤었는데 혹시 기억하시나요?

 

다시 리마인드를 해보자면, 분해능은 위 식으로 표현할 수 있어요.

 

 

그리고 우리가 어떤 두 점을 아주 정밀하게 구분해서 보기 위해서는 결국 분해능이 작아야 해요.

 

 

이 때 분해능을 작게 만들 수 있는 대표적인 방법이 바로 사용하는 빛의 파장 λ를 작게 만들어주는 거죠.

 

 

이번 포스트에서 살펴볼 전자현미경이 바로 파장 λ를 작게 만들어서 분해능을 극단적으로 감소시킨 대표적인 현미경이에요.

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전자현미경은 이름에서도 알 수 있듯이 전자(electron)를 광원으로 사용하는데요.

 

전자는 일반적인 빛에 비해서 매우 짧은 파장 λ을 가지고 있기 때문에(다른 말로 표현하자면 매우 강한 에너지를 가지고 있기 때문에) 분해능을 아주 작게 만들 수 있어요. 실제로 전자현미경의 해상도는 0.1nm 수준이에요. (즉, 0.1nm 떨어진 거리에 있는 두 점을 두 점이라고 구분할 수 있는 거죠)

 

이 때 전자를 어떤 식으로든 굴절시켜야 되겠죠? 그런데 전자를 일반적인 렌즈로 굴절시킬수는 없어요.

그래서 광학현미경에서 빛을 굴절시키는 것과 동일한 효과를 내기 위해서 전자현미경에서는 전자석을 사용해요.

(전자석에 의해 전자의 경로를 위게 만들어주는거죠)

 

 

전자현미경에는 크게 두 종류가 있는데, 바로 TEM(transmission electron microscope, 투과전자현미경)과 SEM(scanning electron microscope, 주사전자현미경)이에요.

 

출처 : SEM vs TEM Technology Networks

일단 SEM, TEM 모두 전자를 사용한다는 것은 동일하고, 전자를 휘게 만들기 위해서 전자석을 사용한다는 것도 동일해요.

 

다만 위 그림을 자세히 보면 알 수 있듯이 이 둘은 결정적인 차이를 가지고 있는데요.

 

TEM은 전자가 시료를 직접 통과하기 때문에 시료의 내부 단면을 볼 수 있는 반면 SEM은 물질의 표면에서 반사된 전자가 detection되기에 시료의 외부 표면밖에 볼 수 없어요.

 

출처 : Mr 10 12 Differences Betwixt Scanning Electron Microscope Too Transmission Electron Microscope (Sem Vs Tem) (bestblog168.blogspot.com)

 

이 사실을 바탕으로 위 이미지를 살펴본다면,

표면부의 구조가 잘 나타나 있는 왼쪽 이미지가 SEM 이미지, 내부의 단면이 잘 나타나 있는 오른쪽 이미지가 TEM 이미지라는 것을 쉽게 알 수 있어요.

 

 

자... 그런데

전자현미경에도 치명적인 단점이 존재해요.

 

전자가 어마어마하게 큰 에너지를 가지다 보니 시료를 통과하는 과정에서 시료를 손상시켜요.

이 때문에 전자현미경으로는 절대 살아있는 세포를 관찰할 수 없어요.

 

 

아니, 그러면 아무리 좋은 해상도로 관찰하더라도, 우리는 전자빔 때문에 엄청나게 손상된 세포였던(?) 무언가를 관찰하게 되는거 아닌가요?

 

이런 문제를 방지하고, 세포 그대로의 원형을 보존한 채로 관찰하기 위해서 전처리 과정이 필요해요.

 

 

전처리 시 가장 대표적으로 사용하는 물질들로는 glutaraldehyde, osmium tetroxide 등이 있는데요.

 

이들 둘은 모두 세포의 모양을 잘 보존시켜주는 역할을 해요.

 

 

조금 더 구체적으로 설명하자면 glutaraldehyde는 단백질과 단백질 사이를 연결해주는 역할을 하고, osmium tetroxide는 지질과 지질 사이를 연결해주는 역할을 해요. 쉽게 말하면 glutaraldehyde, osmium tetroxide 등은 그냥 세포가 이상한 모양으로 찌그러지지 못하게 사이사이에 철심을 박아주는 역할을 해요.

 

 

 

이제 마지막으로 전자현미경에서 특정 물질을 표지하는 방법에 대해 알아볼게요.

 

조금만 생각해보면 앞서 형광현미경에서 사용했던 형광물질은 사용할 수 없다는 걸 알 수 있겠죠.

(형광물질이 아무리 화려한 색깔을 낸다 해도 전자빔을 통해 얻은 흑백 이미지로는 이들을 구분할 수 없어요)

 

 

그 대신 전자현미경에서는 뭔가 전자가 통과하지 못하는 녀석을 사용해서 표지를 해 줄 수 있어요.

 

 

이 물질의 가장 대표적인 예시가 바로 금(gold)이죠.

 

 

항체의 개념에 대해서는 다 아실 것 같은데요.

특정 단백질에 특이적으로 붙을 수 있는 녀석이죠.

그런데 이 녀석의 꼬리에 금을 달아버리게 되면?

결과적으로 특정 단백질을 금으로 표지할 수 있어요.

 

그 상태에서 전자현미경으로 관찰을 하게 되면 세포 내에서 특정 단백질이 어느 곳에 분포하고 있는지를 시각적으로 바로 확인 가능해요.

 

 

 

사실 이 밖에 negative staining이라는 방법도 존재하기는 하는데요.

그냥 시료 빼고 나머지 부분을 metal을 이용해 처리해서, 오히려 시료를 더 부각시키는 방법이다~ 정도로만 알아두셔도 될 것 같아요. (즉, 주변부를 도드라지게 표지해서, 표지되지 않은 시료 부분을 오히려 더 잘 알아볼 수 있게끔 만들어주는, 음각스러운 방법인거죠. 이 때 시료 빼고 나머지를 처리하기 때문에 보통의 방법과는 반대스럽다고 해서 negative staining이라는 이름이 붙었어요)

 

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이번 포스트에서는 전자현미경에 대해 간단히 알아봤는데요.

 

 

원래는 전자현미경에 대한 내용에 이어서 Cryo-EM이라는 기술에 대해서도 간단히 설명할까를 계획했었는데,

아무래도 세포생물학에서 다룰 내용은 아닌 것 같아서 빼버렸어요...ㅋㅋ

 

Cryo-EM이 요즘 구조생물학 분야에서는 엄청나게 핫한 기술이다보니 설명을 안하자니 좀 찝찝한 느낌이 들기는 하지만..;; 이 기술에 대해서는 다음 기회에 설명하는 것으로 하고..ㅎㅎ

 

이것으로 현미경 파트의 내용을 마무리하도록 할게요!

 

 

 

다음 포스트부터는 이제 본격적으로 세포막의 구성성분들에 대해서 알아보도록 할게요.