부산대, 미생물 본모습 살리는 새 전자현미경 시료법 개발

-80℃ 구리 블록 이용해 시료 급속 동결

일반 동결건조기, 2~3시간內 제작 가능

전자현미경 관찰 과정에서 발생하는 미생물의 수축과 변형을 줄이면서 고가의 특수 장비 없이 활용할 수 있는 새로운 시료 제작법이 개발됐다.

부산대학교는 의과대학 융합의과학과 송치홍 교수 국제공동연구팀이 일본·우크라이나 연구진과 함께 '물 동결건조법(Water Freeze-Drying·WFD)'을 활용한 고해상도 주사전자현미경(SEM) 시료 제작법을 개발했다고 18일 전했다.

부산대 송치홍 교수. 부산대 제공

연구팀은 -80℃로 냉각한 구리 블록에 물에 담긴 시료를 접촉시켜 빠르게 얼린 뒤, 유기용매를 이용한 탈수 과정 없이 물을 직접 승화시키는 방식으로 시료를 제작했다. 기존 전자현미경 시료 제작 과정에서 발생할 수 있는 화학적·물리적 손상을 줄이는 데 초점을 맞췄다.

주사전자현미경으로 생물 시료를 관찰하려면 내부 수분을 제거해야 한다. 기존에는 알코올 등 유기용매를 이용해 탈수하는 방식이 주로 사용됐지만, 이 과정에서 세포가 수축하거나 변형돼 실제 구조와 다른 형태로 관찰될 가능성이 있었다.

연구팀은 WFD법의 효과를 확인하기 위해 대표적인 세균인 대장균(Escherichia coli)을 대상으로 기존 t-부틸알코올 동결건조법과 비교했다. 기존 방식에서는 세균층에 균열과 수축이 나타났고 대장균 대부분의 끝부분이 둥글게 관찰됐다.

반면 WFD법을 적용한 시료에서는 전체적인 수축이 크게 줄었고 끝부분이 평평하거나 잘린 듯한 형태 등 다양한 대장균의 모습이 확인됐다. 연구팀은 기존 탈수 과정에서 제대로 보존되지 않았던 세균의 형태적 특성을 WFD법이 보다 안정적으로 유지한 결과로 분석했다.

원생생물인 스피로스토뭄 암비구움(Spirostomum ambiguum)을 대상으로 한 실험에서도 차이가 확인됐다. 화학적 고정 없이 관찰한 결과 기존 고압동결법에서는 세포가 크게 수축했지만 WFD법에서는 세포가 길게 펼쳐진 형태와 표면의 섬모 구조가 비교적 그대로 보존됐다.

이번 방법은 고가의 특수 장비가 필요하지 않다는 점도 특징이다. 연구팀에 따르면 일반적인 동결건조기를 활용할 수 있고 유기용매를 사용하지 않아 실험 과정이 단순하다. 건조 과정도 약 2~3시간 內 완료할 수 있다.

연구팀은 이 기술이 세균 형태 분석뿐 아니라 항균제가 세포 표면에 미치는 영향과 세균 세포벽, 바이오필름 구조 등을 분석하는 연구에도 활용될 수 있을 것으로 보고 있다. 특히 일반 실험실에서도 적용할 수 있다는 점에서 미생물 연구의 접근성을 높일 수 있을 것으로 기대된다.

송치홍 부산대 교수는 "전자현미경 관찰 과정에서 시료를 처리하는 과정 자체가 생물의 원래 구조를 변화시킬 수 있다는 것이 오랫동안 중요한 문제였다"며 "이번 연구는 -80℃로 냉각한 금속 블록과 일반 동결건조기만으로도 미생물의 실제 모습에 보다 가까운 구조를 보존할 수 있음을 보여줬다는 데 의미가 있다"고 말했다.

이어 "기존 방법에서는 잘 보이지 않았던 대장균의 다양한 형태까지 확인할 수 있어 앞으로 항균제 작용기전, 세균 세포벽, 바이오필름 등 다양한 미생물 연구에 활용될 것으로 기대한다"고 덧붙였다.

이번 연구에는 송치홍 부산대 교수를 비롯해 일본 슈지쓰대 야마다 요이치 교수와 오가와 와카노 교수, 고베대 스자키 토시노부 교수, 시마네대 이시다 히데키 교수, 생리학연구소 무라타 카즈요시 교수, 우크라이나 국립과학아카데미 류드밀라 가포노바 박사와 안드리 콜로시우크 박사 연구팀이 참여했다.

연구 결과는 국제학술지 '프런티어스 인 마이크로바이올러지(Frontiers in Microbiology)' 8월 18일 자에 게재됐다.

영남취재본부 조충현 기자 jchyoung@asiae.co.kr