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[바이오토픽] 광학현미경 대신, DNA를 이용하여 세포의 사진 촬영
생명과학 양병찬 (2019-06-21 09:22)

광학현미경 대신, DNA를 이용하여 세포의 사진 촬영

Using DNA microscopy (left), scientists can accurately reconstruct an image of cells captured with a fluorescence microscope (right). Scale bar = 100 micrometers. Credit: J. Weinstein et al./Cell 2019

지금까지 세포를 들여다보려면 현미경이 필요했다. 이제 과학자들은 세포 자체의 유전물질을 이용하여 스냅사진을 촬영함으로써 세포를 들여다보는 방법을 개발했다. 「DNA 현미경관찰법(DNA microscopy)」이라고 불리는 새 기법은 전통적인 광학현미경(optical microscope)보다 덜 선명한 이미지를 제공하지만, 과학자들의 '암 치료법 개선'과 '신경계의 형성과정 탐지'에 기여할 것으로 보인다.

"「DNA 현미경관찰법」은 기발한 접근방법이다"라고 스탠퍼드 의대의 하워드 창(유전학)은 논평했다. "나는 그 방법이 실용화될 거라고 생각한다."

「DNA 현미경관찰법」을 만들기 위해, 브로드 연구소의 조슈아 웨인스타인(포스닥)과 동료들은 '배양접시 위에 놓인 세포집락'에서 출발했다. 첫째로, 그들은 세포 속 RNA 분자의 DNA 버전을 만듦으로써 (추적이 가능한) DNA 분자들을 다량 확보한 다음, 그 DNA 복제품들에 태그(짧은 DNA 조각)를 부착했다. 둘째로, 그들은 화합물을 첨가하여 태그와 (그 태그에 연결된) DNA 분자들의 사본을 양산(量産)했다. 사본들이 축적됨에 따라, 사본들은 원래의 위치에서 벗어나 표류하기 시작했다. 그리하여 두 개의 떠도는 DNA 분자들이 충돌했을 때, 그것들은 서로 연결되어 (충돌을 표시하는) 독특한 DNA 라벨을 형성했다.

세포의 DNA 이미지를 포착하는 데 결정적인 것은 바로 이 '라벨'이다. 왜냐하면, 두 개의 DNA 분자가 근접하기 시작할 때, 그들의 '확산되는 사본들'은 빈번히 연결되어 '멀어지기 시작하는 두 개의 DNA 분자들'보다 더 많은 라벨을 만들 것이기 때문이다. 연구팀은 라벨의 개수를 헤아리기 위해, 세포들을 분쇄하여 그 속에 들어있는 DNA를 분석했다. 그런 다음 컴퓨터 알고리즘을 이용하여 DNA 분자들의 원래 위치를 추정함으로써 이미지를 형성했다.

"어떤 의미에서, 오리지널 DNA 분자들은 방송탑(radio tower)과 같다고 할 수 있다. 상호간에 DNA 형태의 메시지를 송신하니 말이다"라고 웨인스타인은 말했다. "우리는 하나의 방송탑이 인근의 다른 방송탑과 의사소통하는 시점을 탐지하고, 방송탑 간의 송신패턴을 이용하여 그들의 위치를 매핑할 수 있다.“

이러한 기법이 얼마나 잘 작동하는지 판단하기 위해, 연구팀은 '녹색 또는 적색 단백질을 만드는 유전자'를 가진 세포들을 대상으로 테스트를 수행했다. 그 결과, 「DNA 현미경관찰법」을 이용해 얻은 이미지는 광학현미경을 이용해 얻은 이미지보다 선명하지 않지만, 유전적으로 독특한 적색세포와 녹색세포를 구별하는 것으로 나타났다. 연구팀은 이상의 결과를 6월 20일자 《Cell》에 발표했다(참고 1). "나아가, 「DNA 현미경관찰법」은 세포들의 배열을 포착하는 것으로 나타났는데, 이 능력은 인체의 기관에서 채취된 샘플을 분석하는 데 유용할 것으로 보인다. 그러나 아직까지 세포 내부의 디테일을 잘 드러낼 수는 없다"라고 웨인스타인은 말했다.

"우리의 목표는 광학현미경을 대체하는 것이 아니다"라고 웨인스타인은 말했다. "그러나 「DNA 현미경관찰법」은 광학현미경이 할 수 없는 일들을 할 수 있다. 예컨대, 광학현미경은 종종 'DNA가 차이나는 세포들'을 구별할 수 없다.  예컨대 (특이적인 변이를 지닌) 종양세포나 면역세포는 종종 DNA를 뒤섞은 다음 유전적으로 독특해진다. 「DNA 현미경관찰법」은 종양을 공격하는 면역세포들을 확인함으로써 특정한 암 치료법을 개선할 수 있다. 또한 신경계가 발달할 때, 세포들은 종종 독특한 RNA를 생성함으로써 특화된 단백질을 만들므로, 「DNA 현미경관찰법」은 연구자들이 그런 세포들을 연구하는 데 보탬이 될 수 있다.

"「DNA 현미경관찰법」은 매우 멋지다"라고 스웨덴 왕립공과대학(KTH Royal Institute of Technology)의 요아킴 룬데베리(분자공학)는 말했다. 룬데베리는 세포 내의 RNA를 시각화하는 접근방법을 개발하는 데 기여한 인물이다. "그러나 이번 연구는 예비연구이므로, 연구팀은 후속연구를 통해 기법의 성능을 확인할 필요가 있다. 만약 「DNA 현미경관찰법」이 샘플 속 세포의 3D 이미지를 생성할 수 있다면 가치를 인정받을 수 있다. 기법의 유용성을 제대로 이해하려면, 조직을 대상으로 한 실험에서 성능을 증명할 필요가 있다."

연구의 하이라이트

- 「DNA 현미경관찰법」은 물리적 이미지(physical image)를 DNA에 코딩하는 독특한 영상화 방식이다.
- 먼저, 독립적인 화학반응을 이용하여 분자간의 근접성(inter-molecular proximity)을 DNA에 기록한다.
- 다음으로, 컴퓨터 알고리즘을 이용하여, DNA 기록으로부터 초분자 이미지(supra-molecular image)를 재구성한다.
- 그러므로, 「DNA 현미경관찰법」은 화학적으로 코딩된 현미경관찰 시스템(chemically encoded microscopy system)이라고 할 수 있다.

광학현미경 대신, DNA를 이용하여 세포의 사진 촬영


※ 참고문헌
1. https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(19)30547-1

※ 출처: Science http://www.sciencemag.org/news/2019/06/researchers-use-dna-take-pictures-cells

 

모든 것은 그 자리에

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양병찬 (약사, 번역가)
서울대학교 경영학과와 동대학원을 졸업하고, 은행, 증권사, 대기업 기획조정실 등에서 일하다가, 진로를 바꿔 중앙대학교 약학대학을 졸업하고 약사면허를 취득한 이색경력의 소유자다. 현재 서울 구로구에서 거주하며 낮에는 약사로, 밤에는 전문 번역가와 과학 리포터로...
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