당사는 지구를 더 건강하고 더 안전하게 만드는 현미경을 설계하기 위해 노력하고 있습니다. 이제 장기간 우주 임무 중 수행되는 새로운 연구로 인해 당사의 컨포칼 레이저 스캐닝 현미경 기술은 과학자들이 우리의 세계 너머에 있는 것을 연구하는 것을 돕고 있습니다.
한 가지 예로는 세균 생물막과 우주 승무원의 건강 및 시스템 안전성에 대한 그 영향을 연구하는 NASA 연구 실험이 있습니다. 우주 비행 실험과 컨포칼 현미경이 그 시작을 도운 방법에 대해 자세히 알아보려면 계속 읽어보세요.
지구 및 우주에서 발견된 생물막의 탐사
생물막으로 알려진 표면 접착성 세균 집단은 우리 주위 어디에나 있습니다. 지구 생물막의 일반적인 예로는 강의 바위에 붙어있는 점액, 배수구의 "끈적이"나 우리의 치아에 형성되는 치태 등입니다.
그러나 중력이 낮은 상태에서 세균이 표면에 달라붙을 수 있을까요?
1998년, Robert “Bob” McLean 텍사스주립대 교수는 8학년 학생 그룹의 과학전람회 프로젝트를 지도하다가 이 질문에 해답을 제시하기로 마음먹었습니다. 그들의 미세중력 생물막 실험은 1998년 10월 29일 플로리다의 케네디 우주 센터에서 발사된 STS-95 우주 왕복선에서 시작되었습니다.
STS-95 미세중력 생물막 실험 결과를 수집하는 Bob McLean과 그의 두 아들
그들의 작업은 세균이 미세중력에서 생물막을 형성할 수 있음을 보여주는 첫 번째 간행물로 이어졌고, 이 발견은 미국 항공우주국(NASA)의 관심을 끌었습니다.
세균 접착 및 부식(BAC) 우주 비행 실험
우주 비행사들은 장기간 우주 비행을 통해 멀리 떨어진 목적지에 대한 탐사를 시작하므로, NASA에게는 임무를 수행하는 동안 비행사들을 안전하고 건강하게 유지하는 것이 우선순위입니다. 우주선에서의 생물막 형성을 우려하던 NASA는 Bob에게 새로운 연구를 의뢰했습니다.
세균 접착 및 부식(BAC) 우주 비행 실험은 2020년 12월 SpaceX CRS-21에서 시작되었고, Bob은 연구 책임자로, 애리조나주립대의 Cheryl A. Nickerson은 공동 연구 책임자로 참여했습니다. 기타 팀원으로는 텍사스주립대의 Starla Thornhill, 애리조나주립대의 Jenn Barilla, 양지선, Rich Davis, Sandhya Gangaraju, 그의 아들 Alistair McLean과 NASA의 Mark Ott가 포함되었습니다.
이 팀은 컨포칼 현미경 및 기타 기술을 사용하여 우주 비행이 생물막 형성에 미치는 영향을 연구 중입니다. 이 실험은 우주 환경의 생물막에 대한 다음 중요 의문을 해소하는 데 도움이 될 것입니다.
- 생물막이 국제 우주 정거장(ISS) 급수 시설과 관련된 표면을 부식시킬 수 있을까?
- 투명한 생물막에 대한 소독제의 효과는 무엇인가?
- 미세중력 조건에서 스테인리스 스틸 표면의 생물막 성장 및 부식과 관련이 있는 세균 유전자로는 어떤 것이 있을까?
생물막이 우주 비행 중 건강 및 안전성에 끼치는 위험
이러한 질문에 대한 해답이 중요한 이유는 생물막을 제거하기가 어렵고, 장기간 우주여행 시 승무원 건강이 우려되기 때문입니다. Bob은 “표면에 달라붙은 세균을 제거하려고 할 경우 세균의 약물 내성과 소독제 내성이 매우 강한 경향이 있습니다.”라고 설명했습니다.
BAC 우주 비행 실험에 사용되는 녹농균과 대장균(E. coli) 같은 미생물은 다음과 같은 생물막을 쉽게 형성합니다.
- 기존 세정 방식에 내성이 매우 강한 것으로 알려진 생물막
- 정수 장치를 오염 시켜 생물 부착 및 부식과 같은 문제를 유발할 수 있는 생물막
장기간 우주 비행에서 정수 장치의 세균 증식을 억제하는 기능은 안전한 식수 생산 및 개인위생에 중요합니다.
Bob은 “신선한 물을 항시 보내기에는 비용이 너무 많이 들기 때문에 모든 물을 재활용합니다. 기본적으로 소변과 호흡에서 비롯되는 습기를 수거, 처리, 정제하여 식수로 재사용합니다. 모든 인간(우주 승무원 포함)과 대부분의 환경은 일반적으로 세균과 관련이 있기 때문에 어느 순간 세균이 군락을 이루고 문제를 일으키게 됩니다.”라고 설명했습니다.
생물막 형성은 미생물의 전염병 과정에서 중요한 특징이기도 합니다. 통제되지 않을 경우, 미생물 생물막은 생명 유지 장치에 손상을 주고 우주 비행사의 건강 문제를 유발할 수 있습니다.
장비는 또 다른 우려 사항입니다.
Bob은 “생물막 문제는 승무원 건강뿐만 아니라 잠재적인 장비 손상에 대한 우려 사항이기도 합니다. 화성에 간다면, 2~3년간의 탐사를 하게 될 텐데요. 화성까지는 행성들의 상대적 위치에 따라 4~6개월을 비행해야 합니다. 그러다가 어느 순간 지구와 화성이 태양의 반대편에 위치하게 됩니다. 그곳으로 가서 반대편으로 다시 비행할 수는 없습니다. 상황이 다시 정리될 때까지 약 1년간 그곳에 머물러 있어야 합니다. 따라서 그동안 우주선의 상태와 승무원의 건강을 모두 고려해야 합니다."라고 설명했습니다.
이 연구는 장기간 우주 비행 시 새로운 생물막 완화 방안을 개발하는 데 도움이 될 것입니다.
Bob McLean은 KSC에서 우주 비행 접종을 도와줍니다. 애리조나주립대 출신의 두 팀원이 보조합니다(서 있는 사람: 양지선, 앉아 있는 사람: Sandhya Gangaraju).
컨포칼 현미경으로 우주 비행 실험 준비하기
우주 비행 실험을 준비하기 위해, Bob과 그의 팀은 텍사스주립대에서 Olympus FV1000 컨포칼 레이저 스캐닝 현미경과 60X 이멀젼 대물렌즈를 사용하여 ISS 급수 시설과 관련된 비행 장비에서 세균 생물막의 3D 이미지를 포착했습니다.
이러한 이미지를 통해 생물막 위치, 세균 개체 수 및 수분을 함유한 생물막의 구조를 식별할 수 있었습니다. 세균에는 형광 단백질 유전자가 포함되어 있기 때문에 컨포칼 현미경으로 구별하기 쉬웠습니다.
예를 들어, 녹농균에는 녹색 형광 단백질(GFP)이 포함되어 있었고 대장균에는 mCherry가 포함되어 있었습니다. 아래 이미지에서 뚜렷한 녹색과 적색을 볼 수 있습니다.
비행 장비에 있는 생물막의 컨포칼 이미지. 왼쪽: 테플론에 있는 생물막(녹색 녹농균) 오른쪽: 스테인리스에 있는 생물막(적색 대장균, 녹색 녹농균)
이 실험 데이터는 중요한 이정표가 되었습니다. NASA가 SpaceX CRS-21에서의 비행 실험을 승인한 것입니다. 오늘날에도 텍사스주립대에서는 생물막 실험 및 기타 프로젝트를 위한 추가 연구를 수행하기 위해 Olympus 컨포칼 현미경을 계속 사용하고 있습니다.
생물막 연구에 컨포칼 레이저 스캐닝 현미경을 사용하는 이점
Bob과 그의 텍사스주립대 팀은 이제 FV3000 컨포칼 레이저 스캐닝 현미경으로 업그레이드했습니다. 텍사스주립대의 핵심 시설인 분석연구서비스센터(ARSC)의 관리자 Alissa Savage는 Olympus 컨포칼 현미경을 선호하는 이유를 설명했습니다.
Alissa는 “두 가지 중요한 측면이 있는데요. 우선, 사용하기 쉽습니다. FV3000은 FV1000보다 훨씬 더 사용자 친화적이라고 할 수 있습니다. 환상적이죠. 또한 질문이나 연구와 관련된 애로사항이 있을 때마다 기술자의 도움을 받을 수 있습니다. Olympus 제품은 이러한 두 가지 측면에서 경쟁사 제품보다 돋보입니다."라고 말했습니다.
신규 사용자에게 FV3000 컨포칼 레이저 스캐닝 현미경에 대해 교육하는 Alissa Savage
Bob은 컨포칼 영상 처리가 생물막 연구에 중요한 이유를 다음과 같이 강조했습니다.
“전자 현미경의 해상도가 훨씬 더 높다고 해도, 컨포칼 현미경은 수분을 함유하거나 심지어 살아 있는 물질까지 볼 수 있고, 투과 전자현미경과 주사 전자현미경의 높은 진공 요구 사항으로 인한 탈수 인공물이 생기지 않는 장점이 있습니다.”
그리고 “우리의 샘플과 놀라울 정도로 잘 맞습니다.”라고 덧붙였습니다.
