UV 프로젝터를 탑재한 새로운 유형의 초고해상도 구조광 현미경 기술

하얼빈 공과대학교 교수는 생체 세포 이미징에 적합한 새로운 유형의 초고해상도 구조광 현미경 기술을 공동 개발했습니다.

11월 16일, 하얼빈 공업대학 기기학과 해귀 교수 리 하오위가 참여한 최신 논문이 마침내 <Nature Biotechnology>에 게재되었다. 그는 "우리가 세상에 대해 호기심을 갖는 한, 해상도 추구를 멈추지 않을 것"이라고 말했다.

논문 제목은 "희소 역변환이 살아있는 세포 초고해상도 형광 현미경의 해상도를 향상시킨다"입니다. 하얼빈 공과대학교의 리 하오위 교수와 베이징 대학교의 천 량이 교수는 이 논문의 공동 교신 저자입니다.

이 논문의 발표는 또한 리 하오위 씨와 그의 협력자들이 광학 초고해상도 현미경 이미징 기술 분야에서 돌파구를 마련했음을 의미합니다. 저광독성 조건 하에서 구조화된 빛 현미경의 해상도는 110nm에서 60nm로 향상되어 살아있는 세포의 초고속 장기 초고해상도 이미징을 실현했습니다.

리 하오위는 광학 초해상도가 빛의 물리적 회절 한계를 깨뜨렸다고 말했습니다. 2014년 노벨 화학상은 형광 단백질을 조작하여 위의 물리적 한계를 해결한 과학자들에게 수여되었습니다.

지금까지 초고해상도 이미징을 달성하기 위한 물리적 및 화학적 방법은 한계에 도달했으며, 더 높은 현미경 해상도를 추구하는 데 큰 도전이 되고 있습니다. 이 연구는 실제로 여러 일반적으로 사용되는 형광 현미경 장비의 이미징 해상도를 두 배로 향상시킬 수 있는 일반화된 수학적 알고리즘 프레임워크입니다.

턴테이블 공초점 현미경을 예로 들어 보겠습니다. 상용 기기의 일반 해상도는 약 160nm입니다. 이 성과를 통해 약 80nm까지 개선할 수 있습니다. 따라서 팀은 최적화 계산의 관점에서 이전에 도달할 수 있었던 병목 한계 해상도를 향상시켰습니다.

연구에서 그는 팀과 함께 광학 회절 한계를 극복할 수 있는 계산 현미경 이미징 방법을 제안했습니다. 기본 원리는 형광 이미징의 전방 물리 모델과 압축 감지 이론의 도움을 받아 희소성과 시공간 연속성의 이중 제약을 사용할 때 일반적인 이미지 해법 방법을 확립할 수 있다는 것입니다. 이 프레임워크는 희소 역변환 기술을 갖추고 있어 이전 광학 초고해상도 현미경 시스템의 하드웨어 한계를 돌파하며, 공간 및 시간 해상도와 스펙트럼도 확장할 수 있습니다.

이 기술을 바탕으로 리하오위 등은 베이징대학교 천량이 팀과 함께 초고속 구조화 광 초고해상도 형광 현미경 시스템(Sparke SIM)을 공동 개발하였으며, 이 시스템은 초고해상도, 고처리량, 저독성, 비침습성 등을 특징으로 합니다. 고속 이미징 시, 이 시스템은 60나노미터의 해상도를 달성할 뿐만 아니라, 살아있는 세포의 초장시간 동적 및 고속 이미징을 1시간 이상 수행할 수 있습니다.

이 성과의 영상 기술의 도움으로, 액틴의 동적 네트워크, 심부 세포 내 리소좀과 지질 방울의 빠른 움직임을 관찰할 수 있으며, 이색 미토콘드리아의 내막과 외막 사이의 미세한 움직임도 관찰할 수 있습니다.

요약하자면, 물리적 및 화학적 방법을 바탕으로, 리 하오위(Li Haoyu)와 그의 팀은 수학적 계산의 또 다른 관점에서 광학 회절 한계를 돌파하기 위한 일반 알고리즘 모델을 처음으로 제안했습니다. 이는 0에서 1로 나아가는 독창적인 연구일 뿐만 아니라, 생체 세포 광학 현미경 분야에서 가장 높은 해상도, 가장 긴 촬영 시간, 가장 빠른 촬영 속도를 가진 초고해상도 현미경 장비를 개발하는 데에도 기여했습니다.

놀랍게도, 이 기술적 프레임워크는 대부분의 현재 형광 현미경 이미징 시스템 모드에 적용 가능한 것으로 입증되었으며, 거의 두 배에 달하는 안정적인 공간 해상도 향상을 달성할 수 있습니다. 이는 정밀 의학 및 신약 연구 개발을 위한 차세대 생의학 초고해상도 이미징 장비를 제공하여, 향후 질병 모델의 고정밀 특성화 속도를 크게 가속화할 수 있게 합니다.