이전에는 불가능했던 해상도로 세포 내부를 시각화하면 세포의 작동 방식에 대한 생생한 통찰력을 얻을 수 있습니다.

Oct 08, 2023

피츠버그 대학교 컴퓨터 및 시스템 생물학 교수, 과학 전략 및 계획 부총장

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모든 생명체는 소금 알갱이보다 몇 배 더 작은 세포로 구성되어 있습니다. 겉보기에 단순해 보이는 그들의 구조는 생명을 유지하는 기능을 수행할 수 있게 하는 복잡하고 복잡한 분자 활동을 가리고 있습니다. 연구자들은 이전에는 불가능했던 세부 수준까지 이 활동을 시각화할 수 있게 되었습니다.

생물학적 구조는 전체 유기체 수준에서 시작하여 아래로 작업하거나 단일 원자 수준에서 시작하여 위로 작업하여 시각화할 수 있습니다. 그러나 세포의 모양을 지탱하는 세포골격과 같은 세포의 가장 작은 구조와 세포에서 단백질을 만드는 리보솜과 같은 가장 큰 구조 사이에는 해상도 차이가 있었습니다.

Google 지도와 유사하게 과학자들은 전체 도시와 개별 주택을 볼 수 있었지만 주택이 어떻게 모여 이웃을 구성했는지 확인할 수 있는 도구는 없었습니다. 이러한 이웃 수준 세부 정보를 확인하는 것은 개별 구성 요소가 셀 환경에서 어떻게 함께 작동하는지 이해하는 데 필수적입니다.

새로운 도구가 꾸준히 이러한 격차를 해소하고 있습니다. 그리고 특정 기술인 저온전자단층촬영(cryo-electron tomography, cryo-ET)의 지속적인 개발은 연구자들이 건강과 질병에서 세포가 어떻게 기능하는지 연구하고 이해하는 방법을 심화시킬 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

전 사이언스(Science) 잡지의 편집장이자 시각화하기 어려운 큰 단백질 구조를 수십 년 동안 연구해온 연구자로서 저는 생물학적 구조를 자세히 결정할 수 있는 도구 개발의 놀라운 진전을 목격했습니다. 복잡한 시스템이 어떻게 생겼는지 알면 어떻게 작동하는지 이해하는 것이 더 쉬워지듯이, 생물학적 구조가 세포 내에서 어떻게 결합되는지 이해하는 것이 유기체의 기능을 이해하는 데 중요합니다.

17세기에는 광학현미경을 통해 처음으로 세포의 존재가 밝혀졌습니다. 20세기에는 전자현미경이 훨씬 더 자세한 정보를 제공하여 단백질 합성과 수송에 중요한 역할을 하는 복잡한 막 네트워크인 소포체와 같은 세포소기관을 포함하여 세포 내 정교한 구조를 밝혀냈습니다.

1940년대부터 1960년대까지 생화학자들은 세포를 분자 구성 요소로 분리하고 원자 분해능이나 그 근처에서 단백질과 기타 거대분자의 3D 구조를 결정하는 방법을 배우기 위해 노력했습니다. 이것은 근육에 산소를 공급하는 단백질인 미오글로빈의 구조를 시각화하기 위해 X선 결정학을 사용하여 처음으로 수행되었습니다.

지난 10년 동안 원자가 자기장에서 상호 작용하는 방식을 기반으로 이미지를 생성하는 핵자기공명과 저온전자현미경을 기반으로 한 기술은 과학자들이 시각화할 수 있는 구조의 수와 복잡성을 급속히 증가시켰습니다.

극저온 전자 현미경(cryo-EM)은 카메라를 사용하여 전자가 샘플을 통과할 때 전자 빔이 어떻게 편향되는지 감지하여 분자 수준에서 구조를 시각화합니다. 방사선 손상으로부터 샘플을 보호하기 위해 샘플을 급속 냉동합니다. 개별 분자의 여러 이미지를 촬영하고 이를 평균화하여 3D 구조로 관심 구조의 세부 모델을 만듭니다.

Cryo-ET는 cryo-EM과 유사한 구성 요소를 공유하지만 다른 방법을 사용합니다. 대부분의 세포는 너무 두꺼워서 명확하게 이미지화할 수 없기 때문에 먼저 이온빔을 사용하여 세포의 관심 영역을 얇게 만듭니다. 그런 다음 샘플을 기울여 신체 부위의 CT 스캔과 유사하게 다양한 각도에서 여러 장의 사진을 찍습니다. 하지만 이 경우 환자가 아닌 이미징 시스템 자체가 기울어집니다. 그런 다음 이러한 이미지를 컴퓨터로 결합하여 세포 일부의 3D 이미지를 생성합니다.