1. 연구분야 및 논문내용 소개

우선 제가 주로 사용하는 electron tomography에 대해 말씀드리겠습니다. Tomography는 관찰대상을 자르지 않고 그것의 단면도를 얻어내는 imaging 기술입니다. 가장 많이 사용되고 있는 곳은 의료 imaging분야로, 대표적인 것이 MRI (Magnetic Resonance Imaging)와 CT (computerized tomography)가 있습니다. 진단목적으로 환자를 해부해 볼 수는 없는 것이니까 비파괴적인 tomography를 사용합니다. Tomography에서는 관찰대상을 투과하는 wave나 particle들을 여러 각도에서 쏘아서 투영된 상들을 얻은 후, 그 상들을 컴퓨터 안에서 재구성하여, 관찰대상의 내부구조, 즉 단면도를 얻어냅니다. MRI와 CT에서는 각각 radio frequency 와 X-ray (혹은 ion beam)가 사용됩니다.

Electron tomography는 electron beam을 이용하는 tomography의 한 종류로, 발전된 형태의 transmission electron microscopy (TEM)입니다. 고전적인 TEM에서는 sample을 60~80 nm 두께의 section으로 자른 후 그 section에 electron beam을 쏘아서 평면에 투사된 상을 얻습니다. TEM section은 3차원 물체이지만 2차원인 평면에서 관찰을 하기 때문에 많은 구조 정보, 특히 electron beam과 평행한 방향의 위치 정보는 모두 없어지고, 또 해상도도 많이 떨어지게 됩니다. 반면 electron tomography를 사용하면 60 nm의 section이 30개의 순서대로 정열된 2 nm 두께의 단면도들 (tomographic slices)로 나타납니다. 각각의 단면도들에서 해상도는 4 nm 정도로 기존의 전자현미경사진들에서는 확실하지 않던 구조들이 정확히 관찰됩니다 (아래 그림 참조). 게다가 단면도들을 차례대로 scanning함으로써 세포소기관들의 3차원 구조를 알아낼 수 있습니다.

그림설명. 60 nm 두께의 TEM section image (A)와 A의 section으로부터 만들어진 30개의 단면도(두께 2 nm, tomographic slice)들 중 하나 (B). Arabidopsis 뿌리끝 세포의 골지체 (Golgi), trans-Golgi network (TGN), 그리고 주변의 세포질을 볼 수 있습니다. A 사진에서는TGN의 막구조를 알아 볼 수 없지만, B의 단면도에서는 TGN의 막이 정확히 구별됩니다. 세포질의 ribosome (세포질을 꽉 채우고 있는 15 nm 크기의 점들)이 A 사진에서는 덩어리져 보이지만 B 사진에서는 낱낱의 ribosome들이 관찰됩니다. Scale bar: 100 nm

저의 주된 연구대상은 식물세포의 골지체입니다. 식물세포의 골지체를 한마디로 이야기하자면 탄수화물 공장이라고 할 수 있습니다. 단백질들의 당구조와 cellulose microfibril을 제외한 모든 cell wall polysaccharide들이 식물 골지체에서 만들어집니다. 저는 이 골지체의 구조와 단백질 구성을 electron tomography와 immuno-electron microscopy를 이용해서 연구하고 있습니다. 제가 확립한 연구방법 중 하나는 GFP-fusion protein을 살아있는 cell에서 confocal microscopy로 관찰한 후, 같은 cell line을 anti-GFP antibody를 사용하여 immuno-electron microscopy level에서 GFP-fusion protein의 위치를 밝혀내는 것입니다. 이 방법을 통해서 광학현미경 정보를 전자현미경 결과와 연계하여 해석할 수 있습니다. 최근에는 이 연구방법을 식물세포뿐 아니라 budding yeast와 C. elegans에도 적용하고 있습니다.

제가 이번 논문에서 보고한 내용은 식물세포의 골지체에는 2종류의 COPI (coat protein complex I) vesicle들, COPIa-와 COPIb-type이 있고, COPIa-type은 골지체에서 endoplasmic reticulum으로 가는 이동에, COPIb-type은 골지체 내에서의 이동에 관여한다는 것입니다. 몇가지 기술적인 문제들 때문에 고전적인 TEM방법으로는 골지체 주변에 분포하는 지름이 40~60 nm인 vesicle들을 서로 같은 종류인지 다른 종류인지 구별하기가 불가능합니다. Electron tomography를 이용해서 골지체에서 관찰되는 vesicle들의 구조적인 특징, 공간적인 분포, 그리고 vesicle들이 가진 단백질들을 고해상도로 분석하여, 각기 다른 vesicle type들의 생성장소와 이동경로를 규명하였습니다. 최근에 동물세포의 골지체가 표면에 다른 단백질들을 가진 2 종류의 COPI vesicle들을 가지고 있다는 것이 생화학적인 방법 (in vitro reconstitution of COPI vesicle formation)을 통해 밝혀졌습니다. 하지만 다른 기능을 가진 COPI vesicle들이 있다는 것을 세포내에서 보인 것이 이번 논문의 요점입니다. 또한 이번 논문에서 보고한 중요한 기술적인 발전은 electron tomography와 immunogold labeling을 접목하여 세포내 단백질의 위치를 기존의 immunogold labeling 방법보다 훨씬 더 정확하게 (~10배) 알아낼 수 있다는 것입니다.

2. 소속기관소개

저는 University of Colorado at Boulder의 Molecular, Cellular, and Developmental Biology (MCD Biology) Department에서 post-doc으로 일하고 있습니다. 전자현미경을 이용한 세포생물학 연구를 하기에 전 세계에서 가장 좋은 곳이라고 생각합니다. 우리과의 설립자는 현대 전자현미경학의 창시자라고 불리는 Dr. Keith Porter이고 그 뒤를 이어 Boulder Laboratory of 3 Dimensional Electron Microscopy of Cells의 director인 Dr. J. Richard McIntosh와 제 main advisor인 Dr. L. Andrew Staehelin이 전자현미경을 이용한 연구를 하고 있습니다. 여러 대의 첨단 전자현미경들 및 제반 시설들이 잘 갖추어져 있어서 언제나 나노미터 수준의 고해상도 imaging을 할 수 있습니다. 또 몇 십년동안 여러 종류의 세포들을 전자현미경으로 관찰한 staff scientist들도 있어서 다양한 know-how들을 전수받을 수 있습니다. 우리과에서 연구했던 학자들이 전세계 각지의 전자현미경 실험실에서 교수 또는 director로 근무하고 있고, 연중내내 많은 생물학자들이 방문하여 전자현미경기술을 배워가고 있습니다.

Boulder 3D electron microscopy lab의 또 하나의 장점은 lab에 소속된 computer programmer들이 있다는 것 입니다. 이 사람들이 IMOD라고 불리는 electron tomography software package를 개발하였고 지금도 그 software를 개선하고 있습니다. 비록 IMOD가 아무나 쓸 수 있는 쉬운 software는 아니지만 현재 가장 많이 쓰이고 있는 electron tomography용 program입니다 . IMOD program을 사용하다가 궁금한 점, 문제가 생기는 부분, 그리고 이런 기능이 있었으면 좋겠다고 생각되는 것들이 있으면 언제든지 programmer들에게 가서 상의할 수 있습니다. 생물학 전공자로는 배우기 힘든 전자현미경 imaging과 tomography에 관한 물리학적, 수학적 원리에 관해 이해를 넓힐 수 있었습니다. (관심있으신 분은 http://bio3d.colorado.edu에 방문하셔서 imod mailing list에 가입하시면 여러가지 정보를 얻으실 수 있습니다.)

3. 개인적인 바램과 계획

제 계획은 진핵세포의 분비경로를 분자생물학적 방법과 광학/전자현미경을 이용해 연구하는 것입니다. 지금의 주된 연구대상은 식물세포의 골지체이고 차츰 다른 모델생물의 골지체로 연구 영역을 넓혀가고 있습니다. 기회가 되면 우리나라에 돌아가 제 electron microscopy 지식을 이용해 공동연구를 수행, 국내 생물학 발전에 공헌하고 싶습니다.

4. 다른 하고 싶은 말

제가 연구를 하면서 중요하다고 느낀 것은 자기 연구분야의 역사에 대한 이해와 비판적인 시각을 갖는 것 입니다. 자기 분야의 발전과정을 알아야 수행중인 연구의 위치와 중요성을 인식하게 되어 의미있는 결과를 낼 수 있다고 생각합니다. 연구 계획을 세울 때도 도움이 되고요. 그리고 기존에 알려진 사실들을 그대로 받아들이기 보다는 비판적인 시각으로 보아 자신의 의견을 갖는 것이 중요하다고 생각합니다. 이미 알려진 실험 결과들을 전혀 다른 관점에서 해석함으로써 많은 과학적 발전이 이루어 졌습니다.

지금까지 제 글을 읽어주셔서 감사드리고, 하시는 연구에 많은 결실이 있기를 바랍니다. 그리고 새해 복 많이 받으세요.

Received for article January 2, 2007