김동현 연세대 전기전자공학과 교수 연구진이 개발한 ‘AXIS-SIM(거울 간섭 기반 3차원 초고해상도 현미경)’의 모식도. 거울을 이용해 빛이 서로 간섭하도록 만들어 깊이 방향까지 정밀한 패턴을 형성하는 원리를 보여준다. 오른쪽은 이 현미경으로 세포 내부 구조를 촬영한 실제 영상이다. 일반 현미경에서는 흐릿하게 보이던 세포 골격 구조가 훨씬 선명하게 드러나는 것을 확인할 수 있다./연세대





김동현 연세대 전기전자공학과 교수 연구진이 기존 3차원 초고해상도 현미경의 한계를 간단한 구조로 해결한 새로운 영상 기술을 개발했다고 23일 밝혔다.
기존의 3차원 초고해상도 현미경은 세 개인회생 인가결정 포를 미세하게 관찰할 수 있지만, 깊이(세로, Z축) 방향의 해상도가 떨어지는 문제가 있었다. 이 때문에 세포 구조가 실제보다 길게 왜곡되어 보이는 한계가 있었다. 이를 보완하려는 여러 시도가 있었지만, 장비 구성이 지나치게 복잡하거나 제작비가 너무 비싸 실험실 수준을 벗어나기 어려웠다.
연구팀이 개발한 새 장치는 ‘AXIS-SIM(거울 캠코전환대출 간섭 기반 3차원 초고해상도 현미경)’이다. 이름 그대로 기존 현미경 구조에 거울 하나만 추가하는 간단한 방식으로 구현된다.
거울에 반사된 빛이 특수한 패턴 조명과 간섭을 일으키면, 깊이 방향(Z축)에서도 매우 정밀한 조명이 형성된다. 이렇게 만들어진 빛을 이용하면 세포 내부를 훨씬 선명하게 3차원으로 관찰할 수 있다.
빚탕감 연구 결과, 수평 방향(가로) 108.5나노미터(nm), 깊이 방향(세로) 140.1나노미터의 해상도를 달성했다. 이는 기존 기술(약 300nm)보다 두 배 이상 개선된 수치로, 가로·세로 해상도 차이가 거의 없는 ‘등방성’ 3차원 영상을 구현한 세계적 수준의 성과다.
연구팀은 이 기술을 이용해 살아 있는 암세포 내부의 미세소관과 리소좀( 미국 자동차 회사 세포 내 노폐물 분해 기관)을 고해상도로 관찰하는 데 성공했다. 리소좀이 세포 안을 초당 79나노미터 속도로 이동하는 과정을 실시간으로 추적했으며, 리소좀 내부의 빈 공간 구조까지 포착해 세포 내 소기관 연구의 새로운 가능성을 열었다.
연구진은 “거울 하나를 더한 단순한 구조만으로 3차원 초고해상도 이미징의 오랜 난제를 풀었다는 점에서 의 소액적금 미가 크다”며 “이 기술은 신약 개발이나 질병 원인 규명뿐 아니라, 빛의 간섭 원리를 정밀하게 다루는 양자광학·양자이미징 등 차세대 광학 연구로도 확장될 수 있다”고 말했.
연구진은 “복잡하고 고가의 장비 없이 간단한 방식으로 3차원 초고해상도 이미징의 난제를 해결했다는 데 의의가 크다”며 “이번 기술은 신약 개발이나 질병 원인 규명에 기여할 뿐 아니라, 빛의 간섭 원리를 정밀하게 활용하는 만큼 양자광학·양자이미징 등 차세대 연구 분야로 확장될 수 있을 것”이라고 말했다.
이번 연구 결과는 지난 20일 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’에 게재됐다. 관련 기술 연구는 최근 ‘네이처 포토닉스(Nature Photonics)’에 실렸다.
참고 자료
Nat Commun(2025), DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-64366-2
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