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- 사람이나 동물의 신체 내부를 관찰하려면 엑스레이, 초음파 등 특별한 절차 필요
- 살아있는 쥐의 머리, 위, 다리를 무독성 타르트라진 용액으로 코팅
- 이 용액은 살아있는 쥐의 조직을 점점 더 투명하게 만들었다.
- 이 기술은 혈액 채취시정맥을 볼 수 있게 하고, 레이저를 사용해 문신을 더 쉽게 제거
- 암의 조기 발견 및 치료에 도움
식용색소가 투명하게 만든다.
타르트라진 용액을 바르는 것만으로 살아있는 동물의 조직이 투명해진다.
영화 "투명인간"과 거의 비슷하다. 간단한 식용색소를 사용하면 생명체의 피부와 조직이
투명해진다. 심지어 두개골 뼈도 투명해진다. 이 가역적이고 무해한 효과를 얻으려면 쥐를
대상으로 한 테스트에서 알 수 있듯이 단순히 피부에 컬러 용액을 문지르는 것만으로도 충분하다.
그 뒤에 숨겨진 비결은 색상(타르트라진)이 세포액이 조직에 흡수될 때 세포액의 굴절률을
변경한다는 것이다. 연구팀이 "사이언스"에서 보고한 것처럼 이는 빛이 산란되거나
굴절되지 않고 침투할 수 있게 해준다.
▲ 주황색-노란색 식용 색소인 타르트라진의 이 용액은 피부와 조직을 투명하게 만들 수 있다. 그냥 문지르기만 하면 된다. © University of Texas at Dallas
의사가 사람이나 동물의 신체 내부를 관찰하려면 엑스레이, 초음파 등 특별한 절차를 사용해야 한다. 우리의 피부와 조직은 가시광선에 불투명하기 때문이다. 현재 조직과 장기 전체를 투명하게 만들 수 있는 방법이 있지만, 살아있는 물체에는 적용되지 않는다. 해당 샘플은 힘든 과정을 거쳐 준비되어야 한다.
확산이 책임이 있다
이제는 상황이 바뀌었다. 스탠포드 대학의 Zihao Ou가 이끄는 팀은 살아있는 동물의 피부와 조직, 그리고 아마도 우리 인간의 조직도 투명하게 만드는 간단하고 가역적이며 무해한 방법을 발견했다. 발견의 출발점은 우리 조직이 불투명하게 나타나는 이유였다. “생물학적 물질의 복잡한 구조는 빛의 바람직하지 않은 산란과 굴절을 통해 이러한 불투명성을 만든다”고 연구원은 설명했다.
구체적으로 이는 물, 지방 및 세포와 조직의 기타 구성요소가 각각 서로 다른 굴절률을 가지고
있음을 의미한다. 다양한 구성요소의 경계면에서 빛은 각도에 따라 굴절되고 회절된다.
그 결과, 빛은 깊게 침투하지 않고 모든 방향으로 산란되고 편향된다. 동일한 효과로 인해
우유가 우리에게 하얗게 보인다. 이 에멀젼에 있는 많은 작은 지방 방울은 투과하는 빛이
거의 완전히 산란되도록 한다.
▲ 소셜 미디어에서 공유 흡수성 염료 분자를 사용하여 살아있는 쥐에서 광학적 투명성 달성. 물에 용해된 강력하게 흡수하는 분자는 Kramers-Kronig 관계를 통해 수용성 매질의 RI를 수정하여 지질과 일치시킬 수 있다. 이 접근 방식은 산란 팬텀, 닭 가슴살 조직, 살아있는 쥐 몸을 포함하여 다양한 샘플을 투명하게 만들어 광범위한 심층 구조와 활동을 시각화할 수 있다. 척도 막대, 5mm. (출처:관련논문 Achieving optical transparency in live animals with absorbing molecules / Science)
Tartrazine은 조직을 투명하게 만든다.
이것이 바로 Ou와 그의 팀이 등장한 곳이다. 이론적 모델을 사용해 그들은 수성 조직액과 지방 성분의 굴절률 차이를 보상할 수 있는 화학 물질을 검색했다. 연구진은 “모델은 근자외선 영역과 가시 스펙트럼의 청색 영역에서 날카로운 흡수 공명을 통해 물에 용해된 염료 분자가 수성 매질의 굴절률을 높이는 데 효과적이라고 제안했다”고 설명했다.
연구팀은 식품 산업에서 사용되는 주황색 색소인 타르트라진 염료에서 그들이 찾고 있던 것을 발견했다. Ou와 그의 동료들은 닭 가슴살 필레로 첫 번째 테스트를 수행했다. 그들은 고기를 타트라진 용액이 담긴 용기에 넣고 무슨 일이 일어나는지 관찰했다. 염료 용액이 가금류 조직에 더 많이 침투할수록 투명해지는 것으로 나타났다.
▲ 염료 용액은 피부와 기저 조직에 침투하여 굴절률의 차이를 보상한다. © Keyi „Onyx“ Li/U.S. National Science Foundation
피부와 두개골 뼈를 통해 보기
그런 다음 살아있는 물체에 대한 실제 테스트가 이루어졌다. 연구원들은 살아있는 쥐의 머리, 위, 다리를 무독성 타르트라진 용액으로 코팅했다. 이 용액은 살아있는 쥐의 조직을 점점 더 투명하게 만들었다. Ou와 그의 팀은 "일반적으로 불투명한 쥐의 배를 투명한 매체로 바꿀 수 있다"고 말했다. 이제 투명해진 복벽을 통해 형광으로 표시된 복부 신경, 동물의 장운동 및 심장 박동이 보인다.
"만약 당신이 그 뒤에 있는 물리학에 익숙하지 않다면 이것은 마술처럼 보일 것이다"고 Ou는 말했다. “피부에 바르는 크림처럼 투명함이 자리잡는 데 몇 분 밖에 걸리지 않는다. 종류에 따라 피부에 더 빨리 흡수되거나 느리게 흡수된다.” 쥐의 두개골 뼈까지도 타르트라진 용액을 통해 투명해졌다. 뇌의 밑에 있는 혈관. 연구팀은 또한 이 간단한 치료를 통해 동물의 심장 박동이나 미세한 피하 구조를 눈에 띄게 만들 수 있었다.
▲ 살아있는 쥐의 두개골도 타르트라진 때문에 투명해진다. 점차적으로 뇌 혈관을 볼 수 있다. 그러나 그 효과는 완전히 되돌릴 수 있다. © Keyi „Onyx“ Li/U.S. National Science Foundation
아마도 인간에게도 효과가 있을 것
투명도 효과는 완전히 되돌릴 수도 있다. 염료 용액을 다시 씻어내면 조직이 점차 다시 흐려지고 정상적인 불투명 상태로 돌아간다. Ou는 “이 염료가 생체적합성을 갖는 것도 중요하다. 살아있는 유기체에 무해하다”며 "저렴하고 효율적이다. 작동시키기 위해 많은 것이 필요하지 않다”고 설명했다.
이 "투명한 속임수"는 인간 조직에도 작용할 가능성이 매우 높다. 연구팀에 따르면, 이 방법은 의학 연구 및 진단에 완전히 새로운 기회를 창출할 수 있다. Ou와 그의 팀은 "우리의 접근 방식은 외과적으로 제거하거나 그 위에 있는 조직을 투명한 창으로 교체하지 않고도 더 깊은 조직과 기관의 구조, 활동 및 기능을 볼 수 있는 기회를 제공한다"고 말했다.
“제한 없는 통찰력”
“예를 들어, 이 기술은 혈액을 채취할 때 정맥을 볼 수 있게 하고, 레이저를 사용하여 문신을 더 쉽게 제거할 수 있게 하며, 암의 조기 발견 및 치료에 도움이 될 수 있다”고 과학자들은 설명했다. 연구에서 이 염료와 유사한 염료는 모델 유기체의 스펙트럼을 확장할 수 있다. 제브라피시 유충이나 선충류와 같이 처음부터 동물만 투명하게 만드는 대신, 이제 생쥐, 쥐 및 기타 동물도 투명하게 만들 수 있다.
"궁극적으로 이 조직 명확화의 진정한 약속은 불투명한 조직의 한계 없이 생물학적 통찰력을 얻는
것이다"고 Imperial College London의 Christopher Rowlands와 Jon Gorecki는 첨부
논평에서 썼다. (Science, 2024; doi: 10.1126/science.adm6869)
출처: 미국 국립 과학 재단, 텍사스 대학교 달라스
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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