물리학과 첨단기술 MAY 2012 21 줄무늬 패턴을 이용하여 분해능의 한계를 넘어서다 : Structured Illumination Microscopy의 소개 DOI: 10.3938/PhiT.21.022 고유빈 ․ 정은석 ․ 정연수 ․ 정의헌 REFERENCES [1] E. Abbe, Archiv fu ¨r mikroskopische Anatomie 9, 413 (1873). [2] R. Y. Tsien, Annu Rev Biochem 67, 509 (1998). [3] Nature Methods 6, 1 (2009). 저자약력 고유빈은 광주과학기술원 학사과정생으로서 초분해능 현미경을 연구하고 있 다.([email protected]) 정은석은 광주과학기술원 대학원생으로서 초분해능 현미경을 연구하고 있 다.([email protected]) 정연수는 광주과학기술원 대학원생으로서 초분해능 현미경을 연구하고 있 다.([email protected]) 정의헌 교수는 미국 Harvard-MIT 의공학 박사(2007)로서, Harvard Medical School 박사 후 연구원(2007-2010)을 거쳐, 2011년부터 현재까 지 광주과학기술원 의료시스템학과 및 기전공학부 조교수로 재직 중이다 ([email protected]) Overcoming the Resolution Limit Using Striped Patterns: Structured Illumination Microscopy Yoobin KOH, Eunseok JUNG, Yeonsu JUNG and Euiheon CHUNG Optical microscopy has entered a new era of super-res- olution imaging. This technology is revealing sub-cel- lular structures and dynamic functions on a nano- meter scale that were previously impossible. A number of ideas have been realized in order to surpass the dif- fraction limit of optical microscopy. Among others struc- tured illumination microscopy (SIM) has been widely studied due to its wide-field imaging nature and less dependence on the fluorophore choice. SIM uses a fine striped pattern of light illumination to extract minute features from the sample. Various advances have been achieved to obtain better resolution, robustness, faster imaging speed, and 3-dimensional imaging of fixed and live specimens based on the principle of SIM. 머릿말 광학 현미경은 17세기 레벤후크(von Leeuwenhoek)가 발 명한 이후로 이전에는 불가능했던 미생물이나 세포 소기관 구 조의 관찰이 가능하도록 하였으며, 의생명 과학이 발전함에 있어서 큰 기여를 해왔다. 1873년 에른스트 아베(Ernst Abbe) 의 주장에 따르면 현미경의 분해능은 회절 현상(diffraction) 으로 인해 사용되는 광의 반파장 정도 -가시광선의 경우 수백 나노미터-로 보고되었으며, 이후 수백 년 동안 이 한계는 넘 어서기 힘든 것으로 여겨졌다. [1] 이러한 빛의 파동적인 특성 에 의하여 결정되는 분해능의 한계는 근래에 들어 초분해능 (super-resolution) 현미경이 개발되면서 극복되었다. 높은 분해능을 갖는 현미경의 등장은 미소 수준의 생명 현상에 대 한 연구를 가능하게 함으로서 생물학과 기초의학 연구에 새 로운 장을 열고 있다. 살아있는 세포의 복잡한 상호작용을 수십 나노미터 수준에 서 선택적으로 관찰할 수 있다는 점에서 초분해능 형광 현미 경의 개발은 녹색형광단백질(green fluorescence protein)의 발견과 더불어 앞으로도 넓은 분야에서 응용될 것으로 기대 된다. [2] 이러한 경향을 반영하여 초분해능 형광 현미경은 Nature Methods 학술지에서 2008년 올해의 방법론(Method of the year 2008)으로 선정되기도 하였다 . [3] 분해능의 한계를 극복한 기술들 입사된 빛이 관측대상으로부터 원거리로 전파하게 되면 회 절 현상이 두드러지기 때문에 원래의 정보를 획득하는데 제 한이 생긴다. 이러한 이유로 표본에 매우 가까이 근접하여 관
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줄무늬 패턴을 이용하여 분해능의 한계를 넘어서다 Structured ...webzine.kps.or.kr/contents/data/webzine/webzine/... · 2018-06-19 · 물리학과 첨단기술
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물리학과 첨단기술 MAY 2012 21
줄무늬 패턴을 이용하여 분해능의 한계를 넘어서다: Structured Illumination Microscopy의 소개 DOI: 10.3938/PhiT.21.022 고유빈 ․정은석 ․정연수 ․정의헌
REFERENCES
[1] E. Abbe, Archiv fur mikroskopische Anatomie 9, 413 (1873).
Optical microscopy has entered a new era of super-res-olution imaging. This technology is revealing sub-cel-lular structures and dynamic functions on a nano-meter scale that were previously impossible. A number of ideas have been realized in order to surpass the dif-fraction limit of optical microscopy. Among others struc-tured illumination microscopy (SIM) has been widely studied due to its wide-field imaging nature and less dependence on the fluorophore choice. SIM uses a fine striped pattern of light illumination to extract minute features from the sample. Various advances have been achieved to obtain better resolution, robustness, faster imaging speed, and 3-dimensional imaging of fixed and live specimens based on the principle of SIM.
머릿말
학 미경은 17세기 벤후크(von Leeuwenhoek)가 발
명한 이후로 이 에는 불가능했던 미생물이나 세포 소기 구
조의 찰이 가능하도록 하 으며, 의생명 과학이 발 함에
있어서 큰 기여를 해왔다. 1873년 에른스트 아베(Ernst Abbe)의 주장에 따르면 미경의 분해능은 회 상(diffraction)으로 인해 사용되는 의 반 장 정도-가시 선의 경우 수백
나노미터-로 보고되었으며, 이후 수백 년 동안 이 한계는 넘
어서기 힘든 것으로 여겨졌다.[1] 이러한 빛의 동 인 특성
에 의하여 결정되는 분해능의 한계는 근래에 들어 분해능
(super-resolution) 미경이 개발되면서 극복되었다. 높은
분해능을 갖는 미경의 등장은 미소 수 의 생명 상에
한 연구를 가능하게 함으로서 생물학과 기 의학 연구에 새
로운 장을 열고 있다. 살아있는 세포의 복잡한 상호작용을 수십 나노미터 수 에
서 선택 으로 찰할 수 있다는 에서 분해능 형 미
경의 개발은 녹색형 단백질(green fluorescence protein)의
발견과 더불어 앞으로도 넓은 분야에서 응용될 것으로 기
된다.[2] 이러한 경향을 반 하여 분해능 형 미경은
Nature Methods 학술지에서 2008년 올해의 방법론(Method of the year 2008)으로 선정되기도 하 다.[3]
분해능의 한계를 극복한 기술들
입사된 빛이 측 상으로부터 원거리로 하게 되면 회
상이 두드러지기 때문에 원래의 정보를 획득하는데 제
한이 생긴다. 이러한 이유로 표본에 매우 가까이 근 하여
물리학과 첨단기술 MAY 201222
Fig. 2. The principle of SIM: Under uniform illumination as in
conventional microscopy, two closely adjacent fluorescent molecules
are not distinguishable. However using localized illumination
could reveal each fluorescent molecule by precisely shifting its
phase and taking individual images.
REFERENCES
[4] E. Betzig and J. K. Trautman, Science 257, 189 (1992).
[5] S. W. Hell and J. Wichmann, Opt. Lett. 19, 780 (1994).
[6] M. J. Rust, M. Bates and X. Zhuang, Nat. Methods 3,
793 (2006).
[7] S. T. Hess, T. P. Girirajan and M. D. Mason, Biophys. J
91, 4258 (2006).
[8] E. Betzig et al., Science 313, 1642 (2006).
[9] M. G. Gustafsson, J Microsc 198, 82 (2000).
[10] M. G. Gustafsson, Proc Natl Acad Sci U S A 102, 13081
(2005).
(a) (b) (c)
Fig. 1. Resolution extension through the moiré effect. If an
unknown sample pattern (a) is multiplied by a known regular
illumination pattern (b), and moiré fringes will appear (c). It is
enough to observe through the microscope even if the original
unknown sample pattern is unresolvable.[10]
찰하는 근 장 미경(Near-field optical microscopy)이 개
발되었다. 그 에서도 탐침을 이용해 표면 가까이에서 형
분자의 신호를 감지하고 탐침을 표면을 따라 이동시키며 이
미징을 하는 근 장 주사 학 미경(Near-field scanning optical microscopy)이 표 이다.[4] 하지만 이 장치를 이용
한 이미징 방법은 샘 의 표면에서 매우 가까운 역만을 볼
수 있다는 에서 한계를 보인다. 한편 원거리장 분해능
미경(far-field super-resolution microscopy) 기술은 오랫동
안 이론 으로만 측되어 왔으나, 근래에 들어서야 실험 인 증명 사례가 등장하기 시작했다. 형 물질의 비선형성을 이용한
STED 미경,[5] 활성화가 가능한 형 단백질(photo-activat-able fluorescent protein)의 치추정법을 이용한 STORM/ (F)PALM,[6-8] 무늬 패턴모양의 입사 을 사용하여 분해능을