9과 정답과 해설 — Visualizing Cells and Their Molecules
5지선다 정답
| 문항 | 정답 | 문항 | 정답 |
|---|---|---|---|
| Q1 | ④ | Q9 | ③ |
| Q2 | ④ | Q10 | ④ |
| Q3 | ② | Q11 | ③ |
| Q4 | ④ | Q12 | ② |
| Q5 | ② | Q13 | ③ |
| Q6 | ⑤ | Q14 | ② |
| Q7 | ① | Q15 | ② |
| Q8 | ③ |
OX 정답
| 문항 | 정답 | 문항 | 정답 |
|---|---|---|---|
| Q16 | X | Q24 | X |
| Q17 | X | Q25 | O |
| Q18 | X | Q26 | O |
| Q19 | O | Q27 | O |
| Q20 | X | Q28 | O |
| Q21 | O | Q29 | O |
| Q22 | X | Q30 | O |
| Q23 | O |
5지선다 해설
Q1 — 광학현미경 분해능 한계 ✅ ④ ~200 nm
Abbe의 분해능 공식 d = λ/(2NA)에 의해, 가시광선(~400–700 nm)과 일반 대물렌즈(NA ≤ 1.4)를 사용하면 분해능 한계는 약 200 nm(0.2 μm)이다. 이 한계보다 가까운 두 점은 별개의 점으로 구분할 수 없다.
- ① ~20 nm: STED·SMLM 초고해상도 값
- ③ ~100 nm: SIM 초고해상도 값
- ② ~50 nm: 실용적 TEM 분해능에 가까운 값
Q2 — Confocal 노이즈 원인이 아닌 것 ✅ ④
공초점 현미경의 노이즈 원인으로 정리본에 명시된 것: ①초점면 경로 형광 배경, ②PSF 꼬리, ③시료 내 굴절·산란. 레이저가 가시광선 대역이어서 회절한계를 벗어나지 못하는 것은 분해능 한계의 원인이지, 광학 절편 품질 저하(노이즈)의 원인이 아니다.
Q3 — Negative phase contrast에서 시료가 밝게 보이는 원리 ✅ ②
핵심 논리:
- 시료를 통과한 회절광(diffracted light)은 직진광(undeviated light)보다 이미 λ/4 앞서 있다(위상 차이 +λ/4).
- Negative phase contrast 위상판은 직진광을 λ/4 추가 지연시킨다.
- 결과적으로 직진광이 λ/4 지연 → 원래 λ/4 앞선 회절광과 위상이 일치 → 보강간섭 → 시료가 밝게 보임.
Positive phase contrast와 혼동 주의: positive에서는 위상판이 직진광을 λ/4 앞당겨 상쇄간섭 → 시료 어둡게.
Q4 — ~500 μm 깊이 이미징 ✅ ④ Multiphoton
| 기법 | 최대 유효 깊이 |
|---|---|
| Deconvolution | ~40 μm |
| Confocal | ~150 μm |
| Multiphoton | ~500 μm |
다광자 현미경은 NIR(근적외선) 레이저를 사용해 산란이 적고, 초점에서만 두 광자가 동시 흡수되어 광독성이 최소화된다.
Q5 — 전자의 드브로이 파장 ✅ ② 0.0037 nm
100–300 keV 전자의 드브로이 파장은 약 0.0037 nm. 이론적 분해능은 ~0.002 nm이나, 렌즈 수차 등 실용적 한계로 약 0.05 nm 수준이 달성된다.
- ③ 0.002 nm: 이론적 분해능
- ④ 0.05 nm: 실용적 분해능
세 값을 구분해 두자.
Q6 — TIRF에서 옳지 않은 것 ✅ ⑤
에바네센트 파는 유리-물 계면에서 세포질 방향으로 ~200 nm만 침투한다. 따라서 세포 전체를 균일하게 조명하는 것은 불가능하다. 이 특성 덕분에 세포막 근처만 선택적으로 여기되어 배경 노이즈가 낮아지는 것이 TIRF의 핵심이다.
Q7 — 지질막 보존 고정제 ✅ ① OsO₄ (osmium tetroxide)
오스뮴 사산화물은 인지질 이중층의 불포화 지방산 이중결합과 반응하여 막 구조를 보존·고정하고, 동시에 전자 산란 밀도를 높여 TEM에서 막이 어둡게 보이도록 한다. 글루타르알데하이드(②)는 단백질 일차 고정에 주로 사용된다.
Q8 — SMLM ~20 nm 달성 원리 ✅ ③
SMLM(PALM/STORM)의 원리:
- 한 번에 소수의 분자만 확률적으로 활성화(on 상태)
- 각 분자의 PSF 중심 위치를 가우시안 피팅으로 수 nm 정밀도로 결정
- 수천~수만 프레임 반복 후 모든 위치를 중첩·재구성
① = SIM 원리, ② = STED 원리.
Q9 — 간접 면역형광법 민감도가 높은 이유 ✅ ③
하나의 1차 항체에 여러 2차 항체가 결합 가능 → 각 2차 항체에 형광 색소 부착 → 신호 증폭(signal amplification). 민감도↑, 특이도↓(2차 항체 비특이 결합 가능성).
Q10 — FRET 조건에서 옳지 않은 것 ✅ ④
FRET는 다른 두 형광 색소(donor, acceptor)를 필요로 한다. Donor의 방출 파장이 acceptor의 흡수 파장과 겹쳐야 하므로, 두 색소는 반드시 달라야 한다. 동일한 색소를 쓰면 donor=acceptor이므로 방향성 있는 에너지 전달이 성립하지 않는다.
FRET 효율 E ∝ 1/r⁶ (r = 두 색소 간 거리), 측정 범위 1–5 nm.
Q11 — 모든 형광 염료 사용 가능한 초고해상도 ✅ ③ SIM
| 기법 | Probe 조건 |
|---|---|
| SIM | 일반 형광 염료 모두 사용 가능 |
| STED | 고강도 소광 빔에 내성 있는 probe 필요 |
| PALM | 광전환 단백질(예: PA-GFP) 필요 |
| STORM | 광전환 소분자 염료(예: Cy3/Cy5 쌍) 필요 |
SIM의 단점: ~100 nm 분해능으로 STED/SMLM(~20 nm)보다 낮다.
Q12 — Zernike 노벨상 ✅ ② 1953년 물리학상
| 인물/기술 | 연도 | 분야 |
|---|---|---|
| Zernike (위상차현미경) | 1953 | 물리학 |
| Ruska (TEM), Binnig·Rohrer (STM) | 1986 | 물리학 |
| GFP (Chalfie, Shimomura, Tsien) | 2008 | 화학 |
| Super-resolution (Hell, Betzig, Moerner) | 2014 | 화학 |
| Cryo EM (Dubochet, Frank, Henderson) | 2017 | 화학 |
Q13 — FRAP 회복 곡선 기울기 ✅ ③ Diffusion coefficient
- 회복 곡선 초기 기울기 → 확산 계수(diffusion coefficient, D): 분자가 얼마나 빨리 이동하는지
- 플래토(plateau) 높이 → mobile fraction: 표백 후 회복 가능한 분자 비율 (immobile fraction = 구조물에 고정된 분자)
FRAP는 집단 수준(population level) 측정. 단일 분자 추적은 단일입자 추적(SPT) 또는 photoactivation으로 수행한다.
Q14 — GFP 구조와 성숙 ✅ ②
- 11개의 β-strand barrel 구조 (α-helix 아님)
- 발색단(chromophore): Ser65-Tyr66-Gly67의 자발적 고리화·산화 반응 → 번역 후 약 1시간 필요
- GFP 융합 단백질의 기능은 가정하지 않고 반드시 검증해야 함 (선지 ⑤ 오류)
Q15 — SEM에서 옳은 것 ✅ ②
SEM은 전자빔을 시료 표면에 주사(scan)하고 표면에서 방출되는 **이차전자(secondary electron)**를 검출하여 표면의 3차원적 형태를 이미징한다. 내부 단면 구조는 TEM 영역이다.
OX 해설
Q16 — X ❌
디컨볼루션은 수학적 연산으로 배경 흐림(blur)과 노이즈를 제거하지만, 광학 분해능 한계(~200 nm)를 극복하지는 못한다. 초고해상도 기법(SIM, STED, SMLM)과 혼동하지 말 것. 유효 깊이도 ~40 μm로 제한적이다.
Q17 — X ❌
FRAP는 집단 수준 기법이다. 형광 표지된 분자들을 집단으로 광표백(bleach)한 후 주변에서 회복되는 전체 신호를 측정한다.
단일 분자 추적에는:
- Photoactivation: 소수 분자를 활성화하여 개별 이동 추적
- SPT(single-particle tracking): 양자점 등으로 개별 분자 위치 추적
Q18 — X ❌
Aequorin은 Ca²⁺와 결합 시 **생물발광(bioluminescence)**을 방출한다. 외부 광원에 의해 여기되는 형광(fluorescence)과는 다른 메커니즘이다. 화학발광 반응으로 자체적으로 빛을 방출하며, 해파리(Aequorea victoria)에서 유래하였다.
GFP도 같은 해파리 유래이지만, GFP는 형광 단백질(외부 광원으로 여기).
Q19 — O ✅
STED(Stimulated Emission Depletion)의 핵심:
- 정상 여기 빔 + 도넛형 소광 빔 동시 조사
- 도넛 외곽 영역의 형광 분자들은 **유도방출(stimulated emission)**로 비방사적 소광
- 중심부의 아주 작은 영역만 형광 발광 → ~20 nm 분해능
Q20 — X ❌
SIM은 격자 무늬 조명(structured illumination)을 여러 각도로 가하고 무아레 패턴을 수학적으로 처리하여 ~100 nm 분해능을 달성한다. 일반 형광 염료도 사용 가능.
Photoswitchable probe가 필요한 것은 **SMLM(PALM/STORM)**이다.
Q21 — O ✅
형광현미경 필터 시스템:
- 여기필터(excitation filter): 특정 파장 선택 투과
- 이색성 거울(dichroic mirror): 짧은 여기 파장 반사 → 시료로; 시료에서 오는 긴 방출 파장 투과 → 검출기로
- 방출필터(emission filter): 방출 파장만 추가 선별
Q22 — X ❌
GFP 또는 다른 태그를 융합한 단백질이 원래 단백질과 동일하게 기능한다는 보장이 없다. 태그가 단백질 접힘, 국소화, 상호작용, 활성 등을 방해할 수 있으므로, 반드시 기능적 동등성(functional equivalence)을 실험적으로 검증해야 한다.
Q23 — O ✅
| 민감도(Sensitivity) | 특이도(Specificity) | |
|---|---|---|
| 직접법 | 낮음 (신호 증폭 없음) | 높음 (단일 항체 결합) |
| 간접법 | 높음 (2차 항체 중폭) | 상대적 낮음 (2차 항체 비특이 결합 가능) |
Q24 — X ❌
TEM 밝은장(bright-field) 이미지에서 중금속(오스뮴 등)으로 염색된 부위는 전자를 많이 산란·흡수한다. 따라서 검출기에 도달하는 전자 수가 감소 → 해당 부위가 어둡게(dark) 보인다.
음성 염색(negative staining)과 반대: 음성 염색에서는 염색제가 시료 주변을 채우므로 시료 자체는 밝게 보인다.
Q25 — O ✅
Cryo EM의 시료 준비(vitrification):
- 시료를 액체 에탄(−196°C)에 초고속 냉동
- 물이 **결정(ice crystal)**을 형성하지 못하고 비결정질(amorphous/glassy) 상태로 동결
- 결정 형성으로 인한 시료 손상 없이 생리적 구조 보존
- 2017년 노벨 화학상 수상 기술
Q26 — O ✅
에바네센트 파 침투 깊이: ~200 nm
전형적인 동물 세포 두께: ~10 μm = 10,000 nm
비율: 200/10,000 = 2% (약 1–2%)
이 극히 얕은 조명 덕분에 세포막·피질 구조만 선택적으로 이미징 가능.
Q27 — O ✅
다광자 현미경이 깊이 이미징에 유리한 두 가지 이유:
- NIR 레이저(~700–1000 nm): 가시광선보다 생체 조직에서 산란이 적어 더 깊이 침투
- 초점에서만 두 광자 동시 흡수: 광독성이 초점에만 국한 → 배경 노이즈 없음, 표본 손상 최소
결과: ~500 μm (vs. confocal ~150 μm)
Q28 — O ✅
AFM(atomic force microscopy) 분해능:
- 수직(z): ~0.1 nm (원자 수준 높이 감지)
- 수평(x, y): ~1 nm
접촉 모드 또는 태핑 모드로 살아있는 세포 표면을 생리적 완충액 조건에서 이미징 가능. 힘-거리 곡선으로 분자 결합력, 세포 탄성도 측정 가능.
Q29 — O ✅
음성 염색(negative staining):
- 우라닐 아세테이트, 포스포텅스텐산 등 중금속 염색제가 시료 주변을 채움
- 시료 자체는 염색제를 배제 → 전자를 적게 산란 → 검출기에 전자 많이 도달 → 밝게 보임
- 시료 윤곽이 배경(어두운 중금속 영역) 대비 밝게 드러남
Bright-field TEM과 반대 논리임을 주의 (Q24 해설 참조).
Q30 — O ✅
단일입자 재구성(single particle reconstruction) 워크플로우:
- 동일 분자를 무작위 방향으로 배향된 상태로 수천~수만 개 TEM 촬영
- 2D 이미지들을 분류·정렬 (computational alignment)
- 평균화 → 노이즈 감소, 신호 강화
- 3D 역투영(back projection) 재구성
- ~3–4 Å 분해능의 3D 구조 획득 가능 (Cryo EM + 이 기법 = 2017 노벨 화학상)