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커뮤니케이션 생물학 6권, 기사 번호: 583(2023) 이 기사 인용

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나노 규모에서 세포 화학을 이미지화하는 능력은 세포 생물학을 이해하는 데 중요하지만 많은 광학 현미경은 ~(200-250)nm 회절 한계로 인해 제한됩니다. 전자현미경과 초고해상도 형광 기술은 이 한계를 극복했지만 이미지 대비를 생성하려면 염색 및 특수 라벨링에 의존합니다. 그러므로 세포내 성분의 기능적 화학에 대한 정보를 얻는 것은 어렵습니다. 여기에서는 나노스케일(~30 nm) 해상도를 갖춘 세포내 라벨 없는 화학 매핑 기술을 보여줍니다. 우리는 파장이 생물학적 분자 내에서 발생하는 기능 그룹의 진동 모드를 자극하는 중적외선 레이저로 조명된 프로브 기반 광학 현미경을 사용합니다. 시연으로서 우리는 인간 다발성 골수종 세포의 세포내 구조를 화학적으로 매핑하고 동일한 세포주의 전자 현미경 사진과 형태를 비교합니다. 우리는 또한 질병과 약리학 연구에서 생화학적 표지를 식별하는 데 사용할 수 있는 방식으로 단백질과 핵산의 화학적 특징을 표적으로 삼도록 선택한 파장에서 라벨 없는 매핑을 보여줍니다.

초미세 구조 지식에 대한 표준 경로인 전자 현미경(EM)은 중금속으로 염색된 샘플을 사용하여 전자 흡수 대비와 전기 전도성을 생성합니다. 일반적으로 진공 상태에서 며칠이 걸리는 공정에서 전자 충격을 견딜 수 있도록 수지에 내장되어 있습니다. 더욱이, 매우 구체적인 면역 표지가 없는 경우 EM 이미지는 형태학적 정보만 제공하며 얼룩을 취하는 미세 구조 특징만 드러냅니다.

다양한 초해상도 형광 현미경을 사용하면 세포 구조1,2의 부회절 이미징도 가능하지만 모두 당면한 문제에 맞는 라벨이 필요하며 효과적인 라벨링을 위해 구조에 대한 사전 지식에 의존하는 경우가 많습니다. 실제로 형광단의 광표백과 안정성 및 특이성 문제로 인해 라벨을 현지화할 수 있는 정확도가 제한됩니다. 이러한 기술적 과제가 극복되더라도 구조를 국소화하는 능력은 일반적으로 각각 수 나노미터인 형광 표지 및 연결 분자의 길이에 의해 설정되는 표적 구조와 형광단 사이의 거리에 의해 제한됩니다3. 결정적으로 라벨링이 샘플의 생물학을 교란시킬 위험도 있습니다1.

적외선(IR) 분광학 및 이미징은 라벨이 없는 정량적 화학 정보를 얻기 위해 널리 사용되지만 회절 한계로 인해 일반적으로 세포내 수준에서 이미징이 불가능합니다. 이 한계를 뛰어넘기 위해 원자현미경(AFM)의 나노크기 분해능과 IR 분광학의 화학적 감도를 결합한 여러 프로브 기반 이미징 기술이 개발되었습니다4,5. 우리는 AFM 프로브가 조정 가능한 IR 레이저에 의해 조명되는 산란형 스캐닝 근거리 광학 현미경(s-SNOM)을 사용합니다. 팁과 샘플이 상호 작용하는 작은 영역에서 후방 산란된 IR 광을 수집하고 분석하면 해당 영역에서 샘플 재료의 IR 흡수 특성을 추론할 수 있습니다. 레이저를 조정하면 염색이나 라벨링 없이 화학적 특이성을 갖춘 이미지를 얻을 수 있습니다. 중요한 것은 생물학적 물질 자체를 이미지화한다는 것입니다. 우리는 이전에 빛으로 직접 이미지화한 적이 없는 미세 구조적 특징을 감지하여 EM에 나타나지 않는 새로운 세포 내 구조를 찾을 가능성을 높입니다.

s-SNOM은 이전에 단백질 복합체6,7,8, 바이러스9, 아밀로이드 원섬유10와 같은 분리된 생물학적 표본의 이미징과 전체 세포의 표면 이미징에 사용되었습니다. 세포와 조직의 세포내 구조는 각각 단세포 유기체14 및 제브라피시 망막 조직에서 이미지화되었습니다. 여기서 우리는 저자의 지식에 따라 소포체(ER), 미토콘드리아(Mt) 및 핵소체의 원섬유 성분에 대한 최초의 직접 광학 하위 회절 이미지를 포함하여 인간 다발성 골수종 세포의 세포내 구조를 화학적으로 매핑함으로써 이를 기반으로 합니다. 세포 내 다양한 ​​화학 그룹을 표적으로 삼기 위해 조명 파장을 변화시킴으로써 전통적으로 매우 구체적인 라벨링을 통해서만 달성할 수 있었던 방식으로 초구조체의 분리를 보여줍니다.