오늘은 즐거운 토요일. 학교도 쉰다고 하니 모처럼 가족 모두 모일 수 있는 하루인 셈이다. 무엇을 할까? 그래! 첫째 아이 숙제도 있고, 마침 국립중앙과학관에서 ‘세포 속 탐험’전을 연다고 하니 거기나 가 볼까?



입구에 들어서니 세포막 군데군데 동굴 입구 같은 구멍들이 열렸다 닫힌다. 얼른 올라서서 동그란 모양의 소낭 케이블카 탑승을 기다린다. 케이블카에 몸을 맡기고 거미줄처럼 연결된 미세소관에 매달려 도착한 곳은 세포의 중심인 핵. 이곳이 출발점이 되어 핵공을 통하여 어두운 핵을 빠져나오고 형형색색의 단백질 안내 차량을 타거나 무빙워크를 따라 긴 소포체 복도를 지나면 골지체의 미로와 연결된다. 미로를 빠져나오면 산뜻한 모양의 구형 소낭 잠수정이 기다린다. 잠수정을 타고 세포질 속을 누비며 세포 구석구석을 살핀다. 창 밖을 통하여 손에 잡힐 듯한 다양한 형태의 세포 소기관들을 구경하다보면 어느새 아쉽게도 세포막에 마련된 선착장에 다다른다.



위의 내용은 얼마 전 인기를 모았던 ‘인체의 신비전’, ‘몸 속 탐험전’ 등의 감동을 되살리며 상상해 본 것이다. 이들 행사는 웬만한 분들은 모두 한번쯤은 다녀오셨을 법할 정도로 대단한 관심을 불러 모았다. 그 이유는 여러 가지가 있겠지만 우리 몸이면서도 볼 수 없어 무척이나 궁금한 부분을 약간은 징그럽다고 느껴질지언정 직접 볼 수 있다는 짜릿한 흥분감도 한 몫 하였으리라. 그러나 필자가 생각하는 가장 큰 이유는 실감나는 실제 모형(?)을 통하여 표현된 인체의 충격적 모습이다. 만일 위의 전시장에 인체의 각 부위가 수록된 흑백 사진으로만 가득하였다면 과연 인기가 있었을까?



생명과학 분야의 연구를 위하여 다양한 연구 장비들이 이용되고 있음은 잘 알고 있는 사실이다. 과학이 발달할수록 장비들은 점점 첨단화하며 그에 따라 가격 또한 만만치 않다. 돈 없으면 연구도 못한다는 우스갯소리가 그냥 나온 말이 아니리라. 그 중 생물학 연구에 필수적인 장비 중의 하나가 전자현미경이다. 보통 광학 현미경이 μm 수준의 박테리아 관찰이 가능하다고 볼 때 투과전자현미경은 수 Å에 불과한 원자 구조까지도 관찰이 가능할 정도이니 전자현미경 개발 당시의 흥분한 생물학자들의 모습이 눈앞에 선하다. 생물의 기본 단위로 알려진 세포의 구조 특히 세포 내에 존재하는 세포 소기관의 구조를 연구하기 위해서는 전자현미경 분석 외에 특별한 방법이 없다.



실제로 전자현미경이 발명된 이래 생물학은 눈부신 발전을 이루었다. 그러나 전자현미경 연구의 한계는 물체를 얇게 자름으로써 원래의 모습을 잃는다는 것과 그 결과물은 항상 물체의 단면에 대한 평면 흑백 사진이라는 점이다. 어쩐지 밋밋하고 재미가 없다. 시대감각에 뒤떨어져도 한참 떨어진다. 게다가 시료를 준비하는 과정도 까다롭기만 하다. 이러한 밋밋한 사진만으로 연구 목적이라면 모를까 ‘세포 속 탐험전’을 연다면 과연 어린 학생들과 일반인들의 관심을 모을 수 있을까? 한마디로 흥행 실패는 불을 보듯 훤하다. 그렇다면 투과전자현미경은 실제 세포의 모습을 입체 사진, 그리고 매력적인 색상의 결과물로 재현해 낼 수는 없을까? “왜 없어!” 그렇다. 지금부터 투과전자현미경을 이용하여 실제 구조물을 3차원으로 재현해 내는 방법을 소개한다.




가. 3차원 구조의 필요성




투과전자현미경은 전자빔이 얇게 잘린(60-80 nm) 시편을 통과하여 생기는 전자 신호에 의한 상을 형광 스크린을 통하여 보여 준다. 따라서 투과전자현미경상은 단순한 2차원적 평면 정보만을 포함할 수밖에 없다. 대부분의 경우 전자현미경으로부터 얻어진 상을 기반으로 연구자의 상상력을 통하여 관찰 대상의 완전한 3차 구조를 추론하였다. 기본 원리는 2차원에서의 점, 선, 원, 긴 타원형을 3차원의 선, 면, 구, 관형으로 각각 인식하는 것이다. 그러나 이러한 3차 구조 복원 방식은 심각한 문제점을 안고 있다. 그 한 예로 통상 구형으로 인식되는 2차원의 원형 구조물은 실제 구형과 관형의 정단면에서 모두 동일한 단면을 보여 준다. 따라서 2차원 정보에 의존한 3차원 구조의 추론은 보다 신중할 필요가 있으며 이에 대한 보완이 필요하다.






나. Tomography란 무엇인가?




시료의 2차원 상을 통하여 3차 구조를 재현하는 방법으로는 연속 절편을 재합성하는 방법을 주로 활용하였다. 이를 통하여 3차 구조 재현시 따르는 상기 문제점들은 어느 정도 해소할 수 있다. 그러나 연속 절편 제작시 일어나는 각 절편에 대한 절편 두께만큼의 정보는 포기할 수밖에 없다는 단점이 여전히 남아 있다. 일반적으로 초박편 절단의 두께가 60-80 nm인 점과 박편 자체의 변형(접힘, 응축, 팽창 등)을 고려한다면 정밀한 결과를 기대하기는 어렵다. Tomography는 원칙적으로 정상 두께보다 두꺼운 절편에 대한 전자현미경의 goniometer tilting으로 얻어진 상들을 차례로 합쳐 연속상으로 전환하는 기법이다. 따라서 시료의 가상 연속 절편인 tomogram으로부터 컴퓨터를 이용한 과정을 거쳐 시편의 입체 구조 구현이 가능하고 이를 3-D Tomography 혹은 3-D Electron Microscopy라고 한다.




다. 3-D Tomography 의 원리




일반적으로 시편은 정상 두께보다 두껍게(200 nm-2 um) 준비하고 이후는 일반 시편 제작법에 따라 염색까지 진행한다. 최소한의 경사각이 ± 60도까지 가능한 goniometer가 장착된 전자현미경에 시편을 장착하고 좌우 최대 75도까지 1-2도 간격으로 기울이며 연속상을 얻는다. 시편에 대한 상은 x와 y축을 중심으로 tilting이 가능하며 이들 축방향에 따라 single tilting 혹은 double tilting에 의한 정보를 얻을 수 있다. 정보의 양이 두 배로 많은 double-tilting의 경우가 정밀한 3차 구조(해상도 3-5 nm)의 구현에 적합하다.




라. 3-D Tomography 의 활용




초미세구조의 수준에서 3차원 정보를 얻어 낼 수 있는 3-D Tomography는 관찰 범위가 시편의 표면뿐만 아니라 내부 구조까지 관찰이 가능하다는 점에서 주사전자현미경을 통한 결과와 큰 차이가 있다. 따라서 응용 범위는 전공 분야의 제약 없이 다양하다. 특히 생명과학 전 분야에서 세포나 조직의 특정 소기관의 구조 분석, 세포 간 상호 관계 혹은 생리 기작 연구에 적극 활용되고 있으며 그 밖에 재료 과학 및 반도체 산업 등에도 활발히 응용되고 있다. 아울러 이들 3차원 구조를 통하여 시편 구성 요소의 계수, 단위 체적, 표면적, 체적 등의 정량 분석도 가능하다. 생물학 분야에서는 면역전자현미경법(immuno electron microscopy)과 연계하여 특정 단백질의 세포 내 분포 양상 혹은 이동 경로 추적을 통한 생리 기작을 밝히는 데도 유용하다.



최근 이 기법을 이용하여 골지체를 통한 단백질 수송 기작에서 수십 년간 정설로 굳어졌던 골지 소낭의 역할이 무의미함을 밝히고 그 대신 골지체의 각 수조가 서로 연결되어 단백질 이동의 통로로 활용되고 있음을 증명하였다. 더 나아가 동결 전자현미경법(Cryo-EM)을 이용하면 더더욱 미세한 단백질, 바이러스 등의 3차 구조도 만들어 낼 수 있다. 또한 이들을 이용하면 기능적 원리를 밝히는 획기적인 도구로 활용할 수 있을 것이다. 아울러 고부가성 신약이나 치료제 개발 등에 필요한 가상 실험에 활용할 수 있을 것으로 기대한다.




“세포 속 탐험전”




아마도 가까운 장래에 우리는 가족과 함께 이곳 전시장을 찾게 되지 않을까?