[화학] 2014년 – 초 고해상도 형광 현미경 개발

에릭 베치그(Eric Betzig)

에릭 베치그

출생: 1960년 1월 13일, 미국, 미시간 주, 앤아버
수상 당시 소속: 미국, 버지니아 주, 애슈번, 하워드휴즈 의학연구소, 자넬리아 연구소
분야: 물리화학
 

생애

에릭 베치그는 미국 미시간 주 앤아버 태생으로 패서디나의 캘리포니아 공과대학에서 물리학을 공부한 뒤, 뉴욕 이타카 코넬 대학에서 박사학위를 받았다. 이후 뉴저지 주 머리힐의 AT&T벨 연구소에서 근무하다, 학계를 떠나 부친의 기업인 앤아버 기계회사에서 근무하기 시작했다. 그러나 부진을 겪고는 과학 분야로 다시 눈을 돌려 자신이 세운 회사에서 연구를 실시했다. 그는 2005년부터 버지니아 애슈번 하워드휴즈 의학연구소의 자넬리아 팜 연구 캠퍼스에서 근무하고 있다.

업적

일반 현미경으로 빛의 파장을 세부적으로 파악하는 데는 한계가 있다. 그러나 이러한 한계는 특정 물질들이 빛에 노출된 후 빛을 발하는 현상인 형광을 이용하여 극복할 수 있다. 2000년경, 에릭 베치그와 윌리엄 E. 머너(William E. Moerner)는 개별 분자의 형광이 빛에 의해 조정되는 방법을 만드는데 일조했다. 다양한 분자가 활성화되는 이미지를 한데 모으면 초고해상도 이미지를 얻을 수 있다. 이를 통해 살아있는 세포 내에서 발생하는 프로세스들을 추적할 수 있다.

 

슈테판 헬(Stefan Hell)

슈테판 헬

출생: 1962년 12월 23일, 루마니아, 아라드
수상 당시 소속: 독일, 괴팅겐, 막스플랑크 생물물리화학연구소 / 독일, 하이델베르크, 독일암연구센터
분야: 물리화학
 

슈테판 W. 헬(독일어: Stefan W. Hell, 1963년 1월 4일 ~ )은 독일•루마니아의 물리학자이다. 2014 년에 “초 고해상도 형광 현미경 개발”이라는 이유로 노벨 화학상을 에릭 베치그, 윌리엄 머너와 공동 수상했다. -위키백과

생애

슈테판 헬은 루마니아 아라드에서 공학자 부친과 교사인 어머니 사이에서 태어났다. 16세 때, 그의 가족은 독일로 이민을 가게 되었다. 그는 1990년 하이델베르크 대학교에서 물리학 박사학위를 받았다. 하이델베르크의 유럽분자생물실험실, 핀란드 투르쿠 대학교와 영국 옥스포드 대학교에서 수 년간 근무 한 뒤, 1997년 독일 괴팅겐의 막스플랑크 생물물리화학 연구소로 옮겨 근무해 왔으며 현재는 하이델베르크 독일암연구센터에서도 연구를 하고 있다.

업적

일반 현미경으로 빛의 파장을 세부적으로 파악하는 데는 한계가 있다. 그러나 이러한 한계는 특정 물질들이 빛에 노출된 후 빛을 발하는 현상인 형광을 이용하여 극복할 수 있다. 1994년, 슈테판 헬은 하나의 광펄스가 형광 분자들을 빛나게 하고, 또 다른 광펄스가 아주 작은 공간을 뺀 다른 곳의 분자들을 어둡게 만드는 방식을 개발했다. 샘플을 빛으로 훑으면서 하나의 이미지가 생성되며, 이를 통해 살아있는 세포 내에서 발생하는 프로세스들을 추적할 수 있다.

 

윌리엄 머너(William E. Moerner)

윌리엄 머너

출생: 1953년 6월 24일, 미국, 캘리포니아 주, 플레젠턴
수상 당시 소속: 미국, 캘리포니아 주, 스탠퍼드, 스탠퍼드 대학
분야: 물리화학
 

생애

W. E. 머너는 캘리포니아 주 플레젠턴에서 태어나 텍사스에서 자랐다. 미주리 세인트루이스의 워싱턴 대학과 뉴욕 이타카의 코넬 대학에서 수학한 뒤, 1982년 코넬 대학에서 박사학위를 받았다. 이후 1995년까지 캘리포니아 산호세의 IBM 알마덴 연구소에서 근무했다. 캘리포니아 대학교 샌디에이고 캠퍼스에서 3년간 근무한 뒤, 캘리포니아 스탠퍼드 대학으로 옮겼다. 또한 취리히 연방 공과대학과 하버드 대학의 초빙교수를 역임해 왔으며, 결혼하여 슬하에 아들 하나가 있다.

업적

일반 현미경으로 빛의 파장을 세부적으로 파악하는 데는 한계가 있다. 그러나 이러한 한계는 특정 물질들이 빛에 노출된 후 빛을 발하는 현상인 형광을 이용하여 극복할 수 있다. 2000년경, 에릭 베치그와 윌리엄 E. 머너는 개별 분자의 형광이 빛에 의해 조정되는 방법을 만드는데 일조했다. 다양한 분자가 활성화되는 이미지를 한데 모으면 초고해상도 이미지를 얻을 수 있다. 이를 통해 살아있는 세포 내에서 발생하는 프로세스들을 추적할 수 있다.

<시상식 연설>

국왕 폐하, 왕실가족 여러분, 그리고 신사숙녀 여러분

올해 노벨화학상은 생물 분자의 본질적인 형상과 움직임들을 볼 수 있는 초고분해능 형광현미경을 개발한 과학자들에게 수여됩니다. 1873년 에른스트 아베(Ernst Abbe)는 빛 파장의 절반보다 작은 크기의 물체들은 광학현미경으로 식별할 수 없다고 지적하였는데, 이 개발은 아베가 기술한 물리적 한계를 뛰어넘은 것입니다. 아베의 법칙(Abbe’s law)은 강철처럼 확고하고 엄중했으나, 다른 견해를 가지고 있던 과학자들은 아베의 한계를 뛰어넘을 수 있는 두 가지 길을 열어주었습니다.

젊은 시절 슈테판 헬 교수는 언젠가 아베(Abbe)가 정의한 성가신 한계를 정복할 것이라 생각했지만, 그 방법에 대해서는 확신이 없었습니다. 그는 비전을 실현하기 위해 박사후 과정에 지원했지만 번번히 거절당했습니다. 그러나 핀란드 투르쿠에서 그는 마침내 숨쉴 공간과 생각할 수 있는 가치 있는 시간을 얻을 수 있었습니다. 1994년, 그는 아베의 한계를 뛰어넘을 수 있는 방법에 대한 이론을 발표했습니다. 두 개의 레이저 빔이 형광 현미경의 해당 구조에 발사되면서, 하나는 아베의 한계에 의해 결정되는 양의 형광 분자들을 활성화하고, 나머지 하나는 임의로 작게 만들 수 있는 분자들을 제외한 모든 활성 분자들이 광자가 되기 전에 신속히 기저상태로 만듭니다. 두 빔이 함께 그 구조를 스캔하면 아베의 한계를 뛰어넘는 해상도의 이미지가 생나타납니다. 헬 교수는 2000년에 실험을 통해 초고분해능 형광 현미경이 작동하는 것을 증명했습니다. 그는 이것에 유도방출억제(STED) 현미경이라는 이름을 붙였습니다. 이것은 아베의 한계를 최초로 우회한 방식이며, 이제 두 번째 방식을 살펴보겠습니다.

1989년, 윌리엄 E. 머너 교수는 영하 269°C에서 결정형태의 기실에 있는 형광 분자들의 빛 흡수에 대해 연구했고, 자신이 세계 최초로 단일 형광 전자쌍극자를 관찰했다는 것을 깨달았습니다. 이것이 단일분자현미경의 탄생이었습니다.

이제 1995년으로 넘어가 보겠습니다. 에릭 베치그 박사는 대학 생활에 염증을 느끼고 있었습니다. 무언가 다른 일을 하고 싶었지만 단일분자 측정과 형광현미경을 사용하여 아베의 한계를 없애는 방법에 대한 생각을 멈출 수 없었습니다. 생물학적 구조에 라벨을 붙인 형광 집단이 아베의 한계로부터 떨어져 있어서 정확히 위치를 찾을 수 있었습니다. 그러나 이러한 엉성한 라벨링은 구조 상 커다란 정보의 구멍이 있었습니다. 이 문제를 해결하기 위해 베치그 박사는 아베의 한계와 정보의 구멍 사이에서 진퇴양난에 빠져 좌절했습니다. 그는 1995년 이 개념들을 이론적으로 설명했지만, 실제로 실행할 수 있는 확실한 방법은 없었습니다. 베치그 박사는 학계를 떠나 떠돌았지만, 얼마 지나지 않아 머너 교수가 제시한 녹색형광단백질(GFP)이라는 놀라운 변종의 단일 분자 특성을 기반으로 그의 개념을 실행할 수 있는 실용적인 방식을 도출할 수 있게 되었습니다.

머너 교수는 1997년 새로운 GFP 변종이, 들뜬 광선과 매우 다른 파장의 광선을 사용하여 무형광에서 형광 상태로 활성화될 수 있다는 것을 발견했습니다. 이 GFP 분자는 광스위치를 통해 켜고 끌 수 있는 분자 램프의 역할을 합니다.

베치그 박사가 마침내 다시 복귀했을 때, 그의 문제에 대한 해결책은 멀지 않은 곳에 있었습니다. 그는 생물학적 구조를 광학적으로 활성화 가능한 GFP를 가지고 라벨을 붙이는 방법을 개발했습니다. 이후 약한 광펄스가 GFP 분자들의 작은 파편을 활성화하여, 이 파편의 모든 분자들이 아베의 한계로부터 멀리 떨어져 초정밀도로 위치를 파악할 수 있게 됩니다. 그리고 나서 또 다른 GFP 분자의 작은 파편이 활성화되면서 역시 극도로 편재화되며, 이것이 반복되면서 수많은 이미지들이 생성됩니다. 마지막으로 모든 이미지들이 완벽한 구조정보를 갖는 초고분해능 이미지로 통합됩니다. 베치그 박사는 2006년 자신의 연구에 대해 발표하면서 광활성편재현미경(PALM)이라는 명칭을 붙였습니다.

베치그 박사님, 헬 교수님, 머너 교수님,

여러분은 초고분해능 형광 현미경 개발로 노벨화학상을 받게 되었습니다. 스웨덴 왕립과학 아카데미를 대표해서 축하의 말씀을 전합니다. 이제 국왕께서 노벨상을 수여하시겠습니다.