현미경(microscope)은 맨눈으로 볼 수 없을 만큼 작은 물체나 물질을 확대하여 관찰하는 기구다. 옛 사람들은 작은 것에 볼록한 렌즈(혹은 볼록하면서 투명하고 매끈한 어떤 것)를 대면 확대되어 보인다는 사실을 발견했고 이를 이용하여 광학현미경(optical microscope)을 만들었다. 이후 탄생한 대부분의 현미경들은 기본적으로 광학현미경의 원리를 응용한 것이다. 그 중에서도 광학현미경(optical microscope)은 가시광선을 이용하는 현미경으로 보통 초점거리가 짧은 대물렌즈에 의해서 확대된 모습(상;像)을 초점거리가 긴 접안렌즈에 한 번 더 확대하여 보는 원리로 만들어진다.

얇은 유리 두 장 사이에 시료¹⁾를 끼워 밑에서 들어오는 빛을 통과시켜 관찰하는 생물 현미경, 물체에 반사되는 빛으로 관찰하는 실체 현미경 등이 흔히 볼 수 있는 광학현미경이다.

▲ 광학 현미경의 기본 원리. 대물렌즈로 확대된 물체의 모습을 접안렌즈로 다시 한 번 확대하여 크게 보는 것이다.

현미경의 역사와 함께 시작된 세포생물학

광학현미경의 역사는 렌즈를 발견하면서부터 시작되었다고 볼 수 있다. 1세기 경 그리스‧로마에서는 렌틸콩과 닮은 볼록 유리를 이용하여 작은 것을 확대해 보았다고 하는데, 렌즈라는 이름은 여기서 유래했다. 지금의 현미경처럼 렌즈 두 장을 이용해 물체를 확대하는 기구를 처음 만든 사람은 1590년 경 네덜란드의 렌즈 가공업자 얀센(Zacharias Janssen)이라고 알려져 있다(네덜란드의 드레벨(C. J. Drebbel)이나 리퍼쉐이(H. Lippershey)가 발명했다는 주장도 있다). 그가 만든 기구는 망원경에 가까운 모양이었다. 역시 네덜란드 출신 과학자 안톤 판 레벤후크(Anton van Leeuwenhoek)가 1674년 직접 만든 현미경으로 미생물 등 다양한 생물들을 관찰했고 몇 년 후 영국 과학자 로버트 후크(Robert Hooke)가 현미경으로 세포(벽)을 최초로 관찰하여 생물학의 새 장을 열었다.

▲ (상단 왼쪽) 얀센의 현미경, (상단 오른쪽) 레벤후크의 현미경, (하단) 로버트 후크의 현미경

시간이 흘러 18세기에 색지움 렌즈²⁾가 발명되는 등 렌즈의 해상도가 개선되고, 1872년에 독일의 물리학자 에른스트 아베(Ernst Abbe)가 현미경의 최대 해상도를 구현할 수 있는 수학적 조건인 ‘사인조건(Abbe Sine Condition)’을 발표함으로써 현미경 발전에 큰 진전을 가져왔다.

아베의 회절 한계와 분해능

아베는 광학현미경에 관한 또 한 가지 중요한 과학적 사실인 ‘회절 한계(diffraction limit)’를 밝힌 것으로 유명하다. 빛은 입자와 같은 성질도 있지만 소리처럼 구비치는 파동의 성질도 있다. 파동은 한 점에서 주위로 멀리멀리 퍼져나가는데(잔잔한 호수에 돌멩이를 던지면 물결이 동심원을 그리며 퍼져나가는 것을 상상해 보자) 아주 좁은 틈을 지날 때는 그 틈을 시작점 삼아 다시 옆으로 퍼져나간다. 이를 회절 현상이라고 한다.

▲ (왼쪽) 둑에 난 좁은 틈으로 파도가 밀려들어와 부챗살 모양으로 퍼지고 있다. 빛도 이처럼 좁은 틈을 지나면 다시 둥글게 퍼져나간다. 이를 회절 현상이라고 한다. 소리도 파동이어서 회절한다. 모퉁이를 돌기도 전에 모퉁이 너머의 소리를 들을 수 있는 것도 소리의 회절 현상 때문이다. (출처 https://sites.google.com/site/wavebehaviourraft/diffraction)

회절 현상 때문에 빛은 작은 틈을 지나 상으로 맺힐 때, 틈만한 또렷한 점이 아니라 아래 그림처럼 밝고 어두운 부분이 교대로 나타나는 원반(Airy disc) 모양이 된다. 현미경의 대물렌즈를 지나는 빛도 회절 현상을 일으킨다. 이 때문에 두 개의 물체를 보고자 할 때, 이 둘 사이가 매우 가까우면 원반처럼 퍼진 빛이 서로 겹쳐 보여 구분할 수가 없다. 회절 현상이 중요한 까닭은 가까이 있는 두 점을 구분할 수 있는 능력, 즉 ‘분해능(resolving power)’이 현미경의 해상도를 결정짓는 요소이기 때문이다.

광학현미경으로 물체를 얼마나 크게 확대해서 볼 지는 렌즈의 배율³⁾에 의해 결정된다. 하지만 배율만 높인다고 해서 물체를 자세히 관찰할 수 있는 것은 아니다. 사진을 거듭 확대 복사를 하면, 사진 크기 자체는 커지지만 이미지가 또렷해지지는 않는 것과 같다. 물체를 자세히 보고 싶으면 분해능이 좋아야 한다.

아베는 빛의 회절이 파장⁴⁾이 길수록, 빛이 통과하는 틈이 좁을수록 잘 일어나며 현미경으로 두 점을 구분하기 위해서는 두 점의 거리가 최소한 파장의 절반은 되어야 한다는 것을 밝혔다. 가시광선의 파장은 400~700㎚이기 때문에 광학현미경의 분해능은 최소 200㎚에서 최대 350㎚로 한계가 정해져 있다는 것이다. 바로 아베의 회절 한계다. 이러한 한계 탓에 세포의 전체적인 모습이나 세포 소기관의 대략적인 모습까지는 관찰할 수 있으나 일반적인 크기의 바이러스나 단일 단백질은 파악할 수 없다. 아베의 회절 한계는 백 년 넘게 절대 넘어설 수 없는 법칙으로 여겨졌다.

▲ (왼쪽) 빛은 파동성 때문에 좁은 틈을 지날 때 회절하여 맞은편 벽에 원반 모양으로 나타난다. 밝고 어두운 원이 교대로 나타나는 이유는, 파동이 나란히 뻗어나가다 만나면 보강(파동의 높은 부분끼리 만나고 낮은 부분 끼리 만나 진폭이 두 배로 커짐) 하거나 상쇄(파동의 높은 부분과 낮은 부분이 만나 파동이 사라짐)되는 간섭 현상이 일어나기 때문이다.
(출처 http://www.sr.bham.ac.uk/xmm/diffpage2.html)
(오른쪽) 두 개의 원반은 어느 정도 가까이 가면 겹쳐져서 하나로 보이기 때문에 구분하기 힘들다.
(출처 http://www.olympusmicro.com/primer/anatomy/numaperture.html)

다양한 광학현미경의 종류

광학현미경의 발전으로 생물학 등 다양한 과학 분야에서 큰 진전이 있었다. 그 때문에 획기적인 현미경을 발명한 사람은 종종 노벨상을 수상하기도 한다. 오스트리아의 과학자 리하르트 지그몬디(Richard Adolf Zsigmondy)는 한외현미경(Ultramicroscope)을 발명한 공로로 1925년 노벨 화학상을 받았다. 한외현미경은 틴들현상⁵⁾을 이용하여 보통 현미경으로는 관찰하기 어려운 미립자의 운동을 관찰할 수 있다. 1932년 네덜란드 물리학자 프리츠 제르니케(Frits Zernike)는 빛의 간섭 현상(간섭에 대한 설명은 위 그림 설명 참조)을 이용해 물체를 관찰하는 위상차현미경(phase contrast microscope)을 발명하여 1953년 노벨 물리학상 수상의 영예를 안았다. 대물렌즈를 통해 직접 들어온 빛과 시료를 통과하며 굴절된 빛이 만나면 간섭 현상이 생기는데, 위상차현미경은 이를 명암으로 바꿔 관찰하는 원리를 이용한다. 위상차현미경으로 살아있는 세포 등 무색투명한 생물 시료를 염색하지 않고도 관찰할 수 있다. 1950년대 중반 조지 노말스키(Gerge Nomarski)는 편광필름과 특수한 프리즘을 이용해 위상차현미경을 개선한 미분간섭현미경(Differential interference contrast(DIC) microscope)을 개발하기도 했다.

▲ (왼쪽) 지그몬디의 한외현미경(출처: Zeiss Microscopy flickr),
(오른쪽) 일반 광학 현미경으로 본 살아있는 세포와 같은 세포를 위상차 현미경으로 보았을 때
(출처: http://www.bwoptics.com/newsend2.asp?id=3)

위상차현미경이 개발된 이후 과학자들은 관찰하고 싶은 물체를 좀 더 뚜렷이 보고자 빛의 간섭, 편광, 회절 등 빛의 물리적 특성을 활용한 다양한 현미경을 개발하기 시작했다. 이 중 편광현미경(polarization microscope)은 자연광의 파장 중 특정 방향으로 진동하는 파장만 받아들이도록 만든 ‘편광 렌즈’ 두 장을 이리 저리 조절하여, 물체에서 빛이 얼마나 흡수되고 또 굴절하는 지를 볼 수 있는 현미경이다. 주로 암석이나 광물의 단면을 관찰하는 데 쓰이지만 최근에는 살아있는 세포의 골격 구조가 변화하는 것을 실시간으로 관찰하는 데 사용하기도 한다.

한편, 세포와 같은 생체 시료 내부의 복잡한 구조나 생화학적 상호반응을 선명하게 관찰할 수 있는 형광현미경(fluorescence microscope)도 있다. 형광이란 물질이 빛(에너지)을 흡수하여 들뜬 상태(에너지가 많아져 불안정한 상태)가 되었다가 일부 에너지가 다른 형태로 손실되어 가라앉으면서(안정된 상태로 돌아가면서) 나머지 에너지로 파장이 긴 빛을 내는 것이다.

이 원리를 이용하여 시료를 형광 염료로 염색하고 빛을 쪼이면 들떴다가 가라앉으면서 밝은 형광색을 발하는데 이것을 현미경으로 관찰하는 것이다. 형광 단백질은 19세기에 빛을 내는 원리가 밝혀지고 합성이 가능해졌으며 2008년엔 초록색 형광 단백질을 분리하고 활용하는 방법을 확립한 과학자들이 노벨 화학상을 받기도 했다⁶⁾. 현재는 초록색 말고도 다양한 색상의 형광 단백질이 개발되어 활용되고 있다.

형광 염색을 한 뒤 레이저 스캐닝 공초점현미경(confocal laser scanning microscope)을 이용하면 시료 단층 촬영이 가능해 3차원적인 모습도 관찰할 수 있다. 공초점 현미경은 빛이 들어오는 경로에 직각으로 바늘구멍을 만들어 시료의 특정 단면을 통과하는 빛만을 걸러낼 수 있다. 이 바늘구멍을 시료의 두께 방향과 평행하게 이동시키며 사진을 연속으로 찍으면 시료의 입체 영상을 만들어낼 수 있다.

▲ (왼쪽) 편광현미경으로 운석을 관찰한 모습(출처. www.zeiss.com) (오른쪽) 공초점현미경으로 촬영한 헬라세포(HeLa Cell). 파란색으로 염색된 것은 DNA, 오렌지색으로 염색된 것은 골지체, 녹색으로 염색된 것은 미세소관이다. (출처. 위키미디어커먼즈)

한계를 모르는 광학현미경의 전진

과학의 발전은 철옹성처럼 보이던 아베의 회절한계마저 넘어서도록 만들었다. 2014년 노벨 화학상은 초고해상도 광학현미경을 개발한 미국의 에릭 베치그(Eric Betzig)와 윌리엄 머너( William E. Moerner), 독일의 슈테판 헬(Stefan W. Hell)에게 돌아갔다.

▲ 아베의 회절한계에 따르면 빛을 이용하여 관찰할 수 있는 크기는 200nm, 즉 0.2μm였다. 그렇지만 최근에는 회절한계를 넘어선 다양한 초고해상도 광학현미경이 속속 개발되고 있다. (출처/ 일반인을 위한 해설자료, nobelprize.org)

세 사람은 각각 다른 방식으로 회절한계를 극복했다. 먼저 슈테판 헬은 자극방출억제(Stimulated Emission Depletion(STED))라는 방법을 사용했다. 원리는 이렇다.

기존의 형광현미경처럼 시료에 형광 염료를 염색하여 레이저 빛을 쪼이면 들떠서 형광을 방출할 준비를 한다. 그 다음 다시 한 번 첫 번째 레이저를 쏜 부분과 완벽히 겹치되 가운데가 뻥 뚫린 도넛 모양의 레이저를 다시 시료에 쏘면, 도넛 레이저를 맞은 부분은 형광 빛 방출이 억제되고 가운데 뻥 뚫린 아주 작은 중심부의 형광만 뚜렷하게 관측된다. 이 도넛 구멍 같은 공간을 나노 단위로 줄이고 초점 위치를 조금씩 옮기면서 측정한 수많은 이미지를 하나로 합치면 나노 단위의 물질도 아주 선명하게 관찰할 수 있다는 것이다. 슈테판 헬은 1994년 이러한 현미경을 이론으로 입증해 발표했고 2000년에는 실제로 만든 현미경으로 대장균을 관측해 그 영상을 공개했다.

▲ 슈테판헬의 STED 현미경 원리 개념도와 일반광학현미경으로 촬영한 대장균(왼쪽 사진)과 STED 현미경으로 촬영한 대장균 이미지(오른쪽 사진). 해상도가 3배 가량 향상되었다. (출처. 일반인을 위한 해설자료, nobelprize.org)

미국의 과학자들은 ‘단일분자현미경’이라는 것을 개발하는 데 기여했다. 머너는 1997년 특정 파장의 빛을 쏘면 세포 안의 형광 단백질 분자 속에서 형광 빛을 나게 했다가 나지 않게 했다가 할 수 있음을 발견했다. 베치그는 2007년 세포 안에 있는 여러 형광 단백질들 중 특정 단백질의 빛을 낼 수 있는 파장의 빛을 쏜 후 사진을 찍고, 또 다른 파장의 빛을 쏘아 다른 형광단백질의 빛을 발하게 하여 사진을 찍는 방법을 여러 번 반복하였다. 이렇게 모은 사진들을 모아 하나의 선명한 영상으로 볼 수 있게 했다.

▲ 맨 왼쪽은 머너가 개발한 단일분자현미경의 원리를 나타낸 그림이다. 약한 레이저를 쏘면 그 레이저와 딱 맞는 형광단백질만 빛을 발하는데, 레이저를 달리해 가며 다양한 형광단백질을 발광시켜 그 때마다 사진을 찍은 후 합치는 방법으로 고해상도 이미지를 얻는다. 오른쪽 세 사진 중 맨 왼쪽은 일반 현미경으로 찍은 리보솜 막, 가운데 그림은 같은 시료를 단일분자현미경으로 찍은 것, 맨 오른쪽은 가운데 사진 일부를 확대한 것이다. (출처. 일반인을 위한 해설자료, nobelprize.org)

각막 속 꿰뚫어보는 현미경 개발

우리나라에서도 기존 광학현미경의 한계를 뛰어넘는 신개념 광학현미경이 속속 개발되고 있다. 기초과학연구원(IBS) 분자 분광학 및 동력학 연구단은 기존 현미경으로는 촬영하기 어려웠던 생체 조직 깊은 곳까지 고해상도로 촬영할 수 있는 단일산란파폐루프축적(Closed-Loop Accumulation of Single Scattering, 이하 CLASS) 현미경을 개발했다고 밝혔다. 이 기술은 연구진이 기존에 개발한 단일산란집단축적(Collective accumulation of single-scattering, CASS) 현미경의 해상도를 두 배 이상 높인 것이다.

▲ 곰팡이에 감염된 토끼 눈의 각막(a)을 CLASS 현미경으로 촬영했다. 곰팡이는 b에서 보듯이 균사라는 실처럼 가늘고 긴 구조를 갖는다. 이 구조가 c줄의 그림과 같이, 토끼 눈에 의한 수차로 곰팡이의 균사가 정확히 보이지 않는다. CLASS 현미경으로 e와 같은 수차정보를 얻어 이미지를 보정하면 d와 같이 선명한 균사의 모습을 확인할 수 있다.

생체조직은 불투명하여 기존의 광학현미경으로는 깊숙이 있는 세포까지는 관찰하기 어려웠다. 짙은 안개 속에 서 있는 사람을 분간하기 어려운 것과 비슷한 원리다. 빛은 안개 속을 지나가면서 산란⁷⁾을 일으키기 때문에(다중 산란), 대상에 부딪친 뒤 반사되어 시각 정보를 담고 있는 빛(단일 산란파)을 분간하기 어려운 것이다. 연구단은 다중산란으로 인한 잡음은 제거하고 희미한 단일산란파만을 여러 차례에 걸쳐 사진으로 찍은 뒤 합쳐 하나의 선명한 이미지로 만들었다. 이 기술이 CASS이고, 여기에 여러 방향으로 쪼인 빛의 입사각과 반사각을 계산하여 왜곡을 일일이 바로잡은 것이 CLASS 기술이다. 연구진은 이와 같은 방법으로 토끼의 각막 속에 있는 곰팡이 균을 관찰하는 데 성공했다. 연구진은 본 기술을 활용하면 피부나 장기 깊숙이 존재하는 암세포 등을 관찰할 수 있어 질병의 조기 진단 시기를 획기적으로 앞당길 수 있을 것으로 전망했다.

빛은 여전히 파동으로서 회절을 하지만 인간은 자연의 한계를 넘어선 도전을 멈추지 않고 있다. 그 도전이 얼마나 놀라운 결과로 나타나게 될 지는 아직 아무도 모른다.

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