한빛사 인터뷰
- 등록2023-03-29
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1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드
이번 연구는 새로운 image deconvolution 알고리즘인 Adam-based Pointillism Deconvolution (A-PoD)을 stimulated Raman scattering (SRS)와 결합시킨 이미징 플랫폼입니다. SRS는 분자 지문을 검출하는 강력한 능력을 가지고 있으며, A-PoD는 이미지의 해상도를 월등히 높여줄 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.
분자 구조에 따라 다양하게 변하는 Raman spectrum을 기반으로, SRS는 특정 분자 분포를 시각화할 수 있습니다. 또한 세포와 동물에 중수(重水: Heavy Water)를 제공하여 여러 종류의 biomolecule에 결합된 중수소의 vibration을 이용하여 대사 활동을 시각화할 수 있었습니다. 이러한 측정 방법은 지도교수님이신 Dr. Lingyan Shi에 의하여 개발되었으며, 생체 내의 anabolic activity를 측정할 수 있는 중요한 도구가 되고 있습니다.
이 방법으로 측정된 분자의 나노미터 단위 분포를 개선하고 드러내기 위해 A-PoD가 적용되었습니다. A-PoD는 모든 신호가 불연속적으로 분포되어있는 점 방출체에서 발생하는 것으로 가정합니다. 그리고, 이 프로그램은 SRS 현미경의 광학적 특성을 나타내는 함수 (Point spread function)를 정의하고 제한된 수의 점의 위치를 최적화하여 더 높은 해상도의 이미지를 생성합니다. 이 과정은 실제 분자 분포의 성질을 모방하는 방식과 비슷하며, 이 방식으로 diffraction limited image의 해상도를 효율적으로 향상시킬 수 있습니다. 이 방법은 더욱 폭넓은 방향으로 일반적인 사진 및 의료용 이미지 개선에도 사용될 수 있습니다.
이렇게 결합된 A-PoD - SRS 현미경을 단일 세포부터 인간 망막 조직 및 동물 장기까지 다양한 유형의 샘플에 적용했습니다. 특히, 단일 지질 방울과 세포막을 시각적으로 분리했습니다.
- HEK 세포 실험에서는 단백질, 지질 및 미토콘드리아 막 채널의 공존 이미지를 측정했습니다. SRS 현미경을 사용하여 단백질 및 지질 신호를 감지하고 형광 단백질로 미토콘드리아 막을 표시하여 일반적으로 공존하는 막 구성요소와 분리된 막 구성요소를 구분했습니다.
- 인간 망막 조직에서는 망막 표면의 막세포를 관찰했습니다. 공간 해상도가 개선되어 디콘볼루션 후 세포의 막 구성요소를 시각화할 수 있었습니다.
- 과다한 포도당 조건에서 Drosophila 뇌 이미지에서는 식이 조절 지질 대사 변화를 측정했습니다. 지질 대사 활동이 증가했습니다. 정확한 크기 정보를 기반으로 두 가지 식이 조건에서 지질 방울의 에너지 변동도 측정했습니다. 해상도 개선으로 인해 지질 방울 내 신규 합성 지질의 불균일한 분포가 측정되었습니다.
2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁드립니다.
UC San Diego Bioengineering department에서는 Bioinformatics와 함께 tissue engineering과 Biomechanics, 그리고 그 밖의 다양한 기술을 융합한 폭넓은 연구를 진행하고 있습니다. 현재 저는 Lingyan Shi 교수님 연구실에서 박사후 연구원으로 일하고 있으며, 이 곳에서 Raman scattering을 이용한 hyperspectral imaging을 효율적으로 응용할 방법을 연구중이며, spectrum에 대한 이론적인 분석을 바탕으로 Raman 현미경의 정확도와 활용 범위를 넓히는 작업을 진행하고 있습니다.
3. 연구 활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람
현재 제가 속한 Bioengineering department의 연구 분야를 소개할 때 사람들이 항상 많이 사용하는 단어가 interdisciplinary입니다. 저는 화학을 공부하기 시작해서 물리화학과 현미경을 공부하고, 박사과정에서는 물리와 이미지 분석 알고리즘을 공부했습니다. 그리고 지금은 그 모든 내용을 통합할 수 있는 분과에서 연구를 진행하고 있습니다. 앞으로도 필요에 따라서 연구 배경을 넓혀갈 것이며, 그런 의지를 가지고 있다는 점에서 항상 자부심을 느낍니다.
4. 이 분야로 진학하려는 후배들 또는 유학준비생들에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면?
A-PoD의 이름을 정할 때, 처음 deconvolution program에 대한 아이디어를 얻은 순간을 떠올렸습니다. 미술관에서 한 점묘화를 보던 중 ‘이 그림의 구성은 분자 분포를 닮았다.’라는 생각을 했고, 그 순간 그 생각에 이어 점묘화의 방식을 따라한 image deconvolution program을 생각해냈습니다. 아쉽게도 같은 아이디어에 바탕을 둔 SUPPOSe가 조금 먼저 나오긴 했지만, 조금 더 실용적이고 높은 성능을 발휘하는 프로그램을 만들겠다는 마음에서 한단계 성능이 더 좋은 A-PoD을 만들게 되었습니다. 그리고, 가장 강력한 성능을 발휘할 수 있는 조건인 Raman imaging에 적용한 것 또한 중요한 과정이라 생각합니다.
따라서, 먼저 앞으로 공부할 후배들에게는 모든 활동을 연구와 연결시킬 수 있는 집중력과 응용력이 중요하다는 것을 이야기해주고 싶습니다. 그리고, 조금이라도 더 나은 결과를 만들기 위해서 해온 노력들이 위험한 순간에서 벗어날 수 있는 기회로 작용할 것이라는 것과 언제나 그 진가를 발휘할 수 있는 때와 장소를 찾는 것 또한 중요하다는 것을 이야기하고 싶습니다.
5. 연구 활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?
앞으로, 이미 개발된 A-PoD coupled SRS microscopy의 활용 범위를 넓혀가는 것을 우선으로 생각하고 있습니다. 그 외에도 이와 관련하여 SRS 현미경의 실용성을 더 높이는 작업을 진행할 계획이며, 먼 미래에는 SRS와 조금 상관없어보이는 현미경 이미지들과 SRS 이미지들간의 상호관계를 밝혀내는 과정 또한 생각중입니다.
6. 다른 하시고 싶은 이야기들.....
A-PoD coupled SRS microscopy는 시각화할 수 있는 분자의 종류와 반응의 종류를 고려하면, 그 잠재력이 아주 큰 연구 분야입니다. 생물학의 다양한 분야에서 사람들이 편하게 사용하도록 조금 더 나은 기술 개발을 위해 힘쓰겠습니다.
#Image deconvolution
#Raman scattering imaging
#Metabolic imaging
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