한계 뛰어넘는 현미경

[요약] 과학이 점점 더 작은 미시세계에 들어가고 있다. 현미경으로 관찰할 수 있는 크기가 지난 약 150년 동안 계속해서 확대돼왔다. 보이지 않던 세상을 더 많이 볼 수 있게 되면 앞으로 어떤 변화가 생길지 궁금해진다. (2019. 2.)

과학이 관찰할 수 있는 가장 작은 크기보다 2.5배나 더 작은 물질을 들여다볼 수 있는 현미경 기술이 등장했다.

이스라엘 와이즈만 과학연구소는 야론 실베르버그, 댄 아론 복잡계 물리학과 교수 연구진이 양자물리학 원리와 레이저를 활용해 기존 현미경 해상도의 한계를 뛰어넘을 수 있는 방법을 알아냈다고 지난달 28일 밝혔다.

독일 물리학자 에른스트 아베는 광학기업 자이스 설립자인 칼 자이스의 제안으로 이 회사 광학사업부에서 관리파트너로 일하고 있던 1873년, 수십년 동안 광학기술의 가이드라인이 된 ‘아베의 한계’를 설정했다. 현미경에 설치된 렌즈가 아무리 완벽하게 연마됐어도 가시광선 파장의 절반보다 더 작은 물체를 구별할 수 없다는 것이었다. 이는 약 200나노미터(1나노미터=10억분의 1m) 해상도를 말한다.

이후 새로운 유형의 현미경들이 등장하면서 아베의 한계를 깼다. 첫 번째 도전은 아베의 한계가 설정되고 약 60년이 지나서였다. 독일 물리학자 에른스트 루스카와 막스 놀은 1933년 최초의 전자현미경을 발명했다. 전자현미경은 빛 대신 전자빔을 사용한다. 전자의 파장이 가시광선 파장보다 훨씬 더 작기 때문에 전자빔으로는 표준 광학현미경이 관찰할 수 있는 것보다 2000배까지 더 작은 물체들을 볼 수 있다. 그러나 관찰 대상(샘플)이 고정돼 있어야 해서 전자현미경으로는 살아있는 것들을 관찰할 수 없었다.

이후 약 70년이 지나 1999년, 독일 물리학자 슈테판 헬이 STED(자극 방출 소모)라고 불리는 새로운 유형의 현미경을 만들어냈다. 그의 신기술은 아베의 한계를 완전히 뛰어넘었다. STED에선 하나의 레이저빔이 관찰 대상 물질의 한 분자에 있는 하나의 전자를 들뜨게 한다. 들뜬 상태의 전자는 광자(빛의 입자)를 방출하는데, 이 과정이 바로 형광이다. 헬의 현미경에서 나온 다음 레이저는 형광을 끄고 재빨리 샘플을 스캔한다. 이 같은 방식으로 STED 현미경은 단지 수 나노미터밖에 안 되는 물체를 보여준다. 예를 들어 STED 현미경으로는 활성 상태인 단백질들까지 서로 구별할 수 있다.

STED 이후엔 PALM(광활성 빛 현미경)이라는 이름으로 알려진 기술이 뒤따라 등장했다. 이 현미경은 빛으로 활성화하는 빛–방출 분자들을 이용한다. PALM을 발명한 미국의 에릭 베트지그, 윌리엄 모너는 2014년 헬과 함께 노벨화학상을 공동 수상했다. 이들은 아베의 한계를 깬 새로운 초고해상도 현미경을 전 세계 연구실에 제공한 업적을 인정받았다.

와이즈만 과학연구소 연구진은 아베의 한계를 깨기 위한 다른 방법으로 양자물리학을 선택했다. 아베가 활동하던 시기엔 알려지지 않은 분야다. 양자역학에선 존재하는 어떤 분자나 나노미터 크기의 입자에 레이저빔을 비추면 하나의 광자가 방출될 수 있다. 연구진의 아이디어는 이때 광자가 방출되는 과정을 “촬영한다”는 것이다. 물론 이 과정은 아주 빨리 일어나기 때문에 단일 광자를 감지하는 고성능 카메라조차도 제대로 촬영하기가 쉽지 않다.

연구진은 표준 현미경 카메라를 아주 민감한 초고속 감지 시스템을 만들 수 있는 카메라로 교환하고, 단일 광자의 방출을 포착할 수 있음을 확인했다. 그리고 이를 주사광학현미경에 설치했다. 주사광학현미경은 1957년 미국 컴퓨터과학자 마빈 민스키가 발명한 공초점 현미경을 기초로 만들어진 기기다. 연구진은 이렇게 만든 시스템으로 아베의 한계보다 2.5배 더 작은 물체를 관찰하는 데 성공했다. 양자물리학을 이용해 아베의 한계를 깰 수 있음을 증명한 것이다.

연구진은 앞으로 실험과 보정을 반복하며 이 시스템의 한계를 더 낮출 계획이다. 아베가 설정한 것보다 4배 더 작은 크기까지 관찰할 수 있게 만든다는 목표다.