[세포생물학] 현미경의 종류(1) - 광학현미경 역사적 배경, 기본개념, 종류

모든 과학분야의 실험에서 마찬가지겠지만, 세포생물학 연구도 세포의 구조와 기능을 연구하는 데 필요한 기기와 방법에 크게 의존한다. 이번 장에서는 연구 시 가장 기본이 되는 광학현미경의 역사적 배경, 기본개념과 광학현미경의 종류에 대해 소개하고자 한다.

 

 

최초의 현미경은 1655년 개발되었다.

 

광학현미경 역사적 배경

대부분의 세포는 굉장히 작기 때문에 육안으로 관찰하기는 힘들고, 현미경을 사용해야 한다. 실제로 세포의 발견은 현미경의 개발과 함께 진행되었다. 1665 년 Robert Hooker는 간단한 광학현미경을 사용해 코르크 조각을 관찰한 후 Cell이라는 단어를 처음 사용했다. 1670 년대 Antony van leeuwen-hoek은 사물의 실제 크기보다 약 300 배 확대해서 관찰 가능한 현미경을 사용해 적혈구나 정자, 세균 등을 관찰할 수 있었다. 1838년 Matthias Schleiden과 Theodor Schwan에 의한 세포설은 현대 세포생물학을 탄생시켰다. Schleiden은 식물조직을, Schwan은 동물조직을 현미경으로 관찰해 동일한 결론에 도달하였다. '모든 생물은 세포로 구성되어 있다. 이어서 세포는 스스로 만들어질 수 없고 오직 이미 존재하고 있는 세포를 통해 분열해야 생성될 수 있다'. 이와 같이 세포가 모든 생명체의 기본 단위라는 현재의 지식은 광학현미경 관찰을 통해 얻어진 것이다.

 

광학현미경 기본개념

현재에도 세포생물학자들의 기본 도구로 사용된다. 현재의 광학현미경은 시료를 약 1,000 배까지 확대 관찰할 수 있다. 대부분의 세포는 직경  1um부터 100um의 크기이기 때문에 광학현미경으로 관찰이 가능하다. 핵, 엽록체, 미토콘드리아 등 큰 세포소기관도 관찰이 가능하다. 그러나 광학현미경은 세포 구조를 상세히 볼 수는 없는데, 이는 두 점 사이의 거리를 구별할 수 있는 능력인 해상력이 배율보다 더 중요하기 때문이다. 상은 원하는 만큼 확대할 수 있지만, 광학현미경의 해상력 한계는 약 0.2um이다. 이보다 작게 두 점이 떨어져 있을 경우 두 점은 하나로 보인다. 이론적으로 광학현미경의 해상력은 가시광선 파장(λ)과 렌즈가 빛을 모을 수 있는 능력인 개구수(NA; numerical aperture)에 의해 결정된다. (해상력=0.61λ / NA) 놀랍게도, 0.2um의 해상력을 가진 광학현미경은 이미 19 세기말에 만들어졌으며 더 이상의 해상력을 가진 광학현미경은 이론적 한계 때문에 기대할 수 없다. 그렇기 때문에 현대 세포생물학 연구에서는 여러 다른 종류의 광학현미경이 세포 구조 연구에 사용된다.

 

광학현미경 종류

1. 명시야현미경 (Bright field microscopy)

광학현미경 중 가장 단순한 것은 명시야현미경이다. 빛이 세포를 통과할 때 세포 구성성분에 따라 빛이 흡수되는 차이가 발생하는 것을 원리로 한다. 이러한 대비 (Contrast)를 관찰하여 세포 구조를 구별할 수 있다. 많은 경우 단백질 또는 핵산과 결합하는 염색약으로 세포를 염색하고 서로 다른 구성성분 사이의 대비를 가미해서 관찰할 수 있다. 염색 전에 세포 구조를 안정화시키고 보존시키기 위해 고정액인 알코올, 아세트산, 포르말린 등의 용액을 사용하기도 한다. 고정과 염색을 마친 시료를 명시야 현미경으로 관찰하는 것은 해부학 실험실에서 조직을 관찰하는 가장 기본적인 방법이다. 세포를 염색하면 살아있는 세포가 죽기 때문에, 살아있는 생체 시료를 관찰하기에 적합한 방법은 아니다. 

 

2. 위상차현미경 (Phase-contrast microscope), 간섭위상차현미경 (Differential interface-contrast microscope)

시료를 염색하지 않으면 대비가 충분하지 않아서 명시야현미경으로 관찰하기 쉽지 않다. 하지만 세포 구성성분의 차이 (이때는 밀도차이)에 의해 발생하는 대비를 광학적으로 증가시킬 수 있다. 두 종류의 현미경 모두 세포의 두께와 밀도 차를 대비의 차로 전환해서 최종 이미지로 나타내는 광학 시스템이다. 핵과 같이 투명하게 보이는 구조는 빛을 흡수하지 않기 때문에 광학 현미경으로 관찰되지 않는다. 하지만, 핵을 통과하는 빛은 속도가 느려져 주변 세포질을 통과하는 빛에 비해 위상차가 나타나게 된다. 위상차현미경과 간섭위상차현미경은 이러한 위상의 차이를 대비의 차이로 전환하여 염색되지 않은 살아있는 세포를 관찰할 수 있다.