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[강연] 응답하라, 작은 것들의 세계여 - 현미경과 미시세계 (3) _김성근 교수 | 2015 가을 카오스 강연 '빛 색즉시공' 5강 | 5강 ③

2014년 노벨 화학상은 백 년 넘게 불가능이라 여겨졌던 광학 현미경의 회절 한계를 극복한 세 명의 과학자에게 돌아갔습니다. 전통적인 광학 현미경은 빛의 회절 현상 때문에 특정 크기보다 작은 바이러스나 세포 내부 구조를 선명하게 관찰하는 데 한계가 있었습니다. 전자 현미경은 분해능이 높지만 시료를 절단하거나 손상시켜야 하는 단점이 있는 반면, 광학 현미경은 살아있는 시료 내부를 그대로 볼 수 있다는 독보적인 장점이 있습니다. 이러한 미련을 버리지 못한 과학자들의 집념이 결국 초고분해능이라는 새로운 시대를 열었습니다. 윌리엄 모너는 세계 최초로 단일 분자를 실험적으로 관찰하는 데 성공하며 초고분해능 현미경의 개념적 토대를 마련했습니다. 그는 고체 결정 내의 아주 작은 농도로 존재하는 분자를 검출해냈을 뿐만 아니라, 특정 파장의 빛을 이용해 분자의 형광을 자유자재로 켜고 끄는 시스템을 개발했습니다. 분자가 형광을 내는 상태와 내지 않는 상태를 조절할 수 있게 된 이 기술은, 이후 등장하는 다양한 초고분해능 기술들의 핵심적인 원리가 되었습니다. 물리학적 기초를 바탕으로 화학적 한계를 극복한 그의 연구는 다학제적 연구의 중요성을 잘 보여줍니다. 에릭 베치그는 분자들이 동시에 빛을 내어 이미지가 겹치는 문제를 해결하기 위해 '시간차'라는 혁신적인 아이디어를 도입했습니다. 그는 모든 분자가 한꺼번에 형광을 내지 않도록 조절하여, 한 번에 아주 적은 수의 분자만 빛을 내게 한 뒤 그 위치를 각각 기록했습니다. 이렇게 서로 다른 시간대에 측정된 개별 분자들의 위치 정보를 하나로 중첩함으로써, 기존에는 흐릿하게 뭉쳐 보였던 이미지를 놀라울 정도로 선명하게 재구성하는 PALM 기술을 완성했습니다. 이는 관찰 대상을 개별적으로 분리하여 인식하려는 집요한 시도가 만들어낸 쾌거였습니다. 스테판 헬은 앞선 방식과는 전혀 다른 물리적 접근법인 STED 기술을 통해 분해능을 혁신했습니다. 그는 관찰하려는 면적을 연필 끝처럼 최대한 뾰족하게 줄여야 정확한 형상을 파악할 수 있다는 점에 주목했습니다. 이를 위해 유도 방출 원리를 이용해 도넛 모양의 레이저를 쏘아 주변부의 형광을 강제로 꺼 버리고, 오직 중심부의 좁은 영역에서만 빛이 나오도록 유도했습니다. 레이저의 강도를 높일수록 관찰 영역이 더욱 미세해지는 이 방식은, 기존 광학 현미경의 한계를 수십 배 이상 뛰어넘어 나노미터 수준의 정밀한 관찰을 가능하게 만들었습니다. 초고분해능 현미경 기술은 이제 치매의 원인 물질인 아밀로이드 섬유를 실시간으로 관찰하는 등 생명 과학 분야에서 혁명적인 변화를 일으키고 있습니다. 100년 넘은 난제에 도전하여 불가능을 가능으로 바꾼 과학자들의 사례는 우리에게 시사하는 바가 큽니다. 한 분야에 매몰되지 않는 다학제적 시각과 실패를 반복하면서도 굴하지 않는 끈기가 결합될 때 과학은 진보합니다. 살아있는 세포 내부의 움직임을 원자 수준에서 직접 눈으로 확인하려는 과학자들의 꿈은 이제 머지않은 미래의 현실로 다가오고 있습니다.

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[명강리뷰] 응답하라, 작은 것들의 세계여 : 현미경과 미시세계 by 김성근ㅣ2015 가을 카오스 강연 '빛, 색즉시공' 5강

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