Laboratory
Transmission electron microscope
Invented by German physicists Ernst Ruska and Max Knoll in the early 1930s, transmission electron microscope (TEM) uses electron as an illumination source, high-vacuum chamber and electromagnetic lenses to manipulate electron beam. Elastically scattered electron "wave" from the sample results in phase contrast with unscattered electron wave on the image plane.
Reason behind the usage of high-energy electron is the picometer range of electron wavelength that allows for the atomic resolution imaging.
However, the fact that most biological specimen cannot sustain their structure under high vacuum, and that high energy electrons destroy the sample, precluded high-resolution imaging of biological macromolecules such as nucleic acids, proteins, cellular organelles, etc.
투과전자현미경은 (TEM) 1930년대 초 독일 물리학자 Ernst Ruska와 Max Knoll에 의해 발명되었습니다. TEM은 전자를 광원으로 사용하고, 고진공 챔버와 전자기장 렌즈를 사용하는 현미경으로써, 광원의 전자파(電子波)가 시료의 원자의 핵과 전자 사이의 전위에 의해 산란되고(탄성산란), 영상판에 산란전자와 비산란전자간의 위상차에 의해 영상이 생성됩니다.
수백 나노미터에 달하는 가시광선의 파장에 비해 TEM에서 사용되는 전자파의 파장은 피코미터 영역이므로 원자수준의 영상을 획득하는 것이 가능합니다.
그러나 고진공 환경에서 생물시료의 구조는 크게 변질되고, 고에너지 전자에 의한 다양한 시료의 손상에 따라 핵산, 단백질, 세포 소기관의 비침습적 구조분석은 매우 제한되어 왔습니다.
Cryo-electron microscopy
Cryo-electron microscopy (cryo-EM) is an image analysis of a sample that has been vitrified (frozen-hydrated) using TEM. The term cryo-EM nowadays is often used as an equivalent to single particle cryo-EM, in which thousands of cryo-EM images of purified macromolecules are computationally processed to reconstruct a 3D structure.
Cryo-EM resolved many issues of conventional TEM imaging of biological samples as: (1) the sample no longer needs to be dehydrated to retain water because it is "frozen-hydrated", (2) sample damage is minimized by short exposure to electron beam during data acquisition using "low dose mode" of imaging and (3) computational averaging of tens of thousand images of the same protein particles overcomes inherently low signal-to-noise ratio of the cryo-EM images.
These innovative techniques promoted cryo-EM as an indispensable tool in modern structural biology, and the most prominent pioneers were awarded Nobel Prize in Chemistry in 2017.
초저온전자현미경법(Cryo-EM)은 수분을 함유한 채 급속으로 동결된 시료를 저온상태에서 분석하는 기술이며, 최근에는 분리정제된 생체고분자의 영상을 전산처리하여 입체구조를 복원하는 cryo-EM 단입자분석을 일컫습니다.
Cryo-EM은 기존의 전통적인 생물학적 TEM 분석법을 획기적으로 개선하였습니다: (1) 시료가 수분을 함유한 상태로 고상화 되었기 때문에 고진공 상태에서도 건조에 의한 시료의 변질을 방지할 수 있으며, (2) 시료의 전자파 노출을 최소화 하여 시료의 손상을 최소화하며, (3) 다수의 영상을 평균화하여 기본적으로 TEM에서 얻어지는 낮은 신호대비잡음의 문제를 극복 할 수 있습니다.
이와 같은 기술발전에 의해 cryo-EM은 근대 구조생물학에서 대체불가한 중요한 분석기술로 자리매김 하였으며, 2017년에는 cryo-EM의 선도 연구자 3명이 노벨 화학상을 수상한 바 있습니다.
J's Cryo-EM Lab
Cryo-EM is already at state-of-the-art level globally. High-end equipment, ingenious sample preparation methods and powerful image processing algorithms are readily available for atomic-resolution structural analysis of various macromolecules.
However, there is always room for further refinement of the craft. Here in J's Cryo-EM Lab, we keep track of the latest technical advances in the field, and look back at the basics of cryo-EM, and try to come up with ways to explorer and optimize current practices in cryo-EM.
Using Cryo-EM as our main research tool, we study structures and functional mechanisms of virus proteins that are important in their replication cycles. Our major research interest is the assembly mechanism of virus capsid, protein shell that encloses and protects the genetic materials and virulence machinery. Based on the structural information, we aim to discover potential antiviral drug targets and also develop functionalized nanoparticles.
전세계적으로 Cryo-EM 분석 기술은 이미 높은 수준에 있으며, 최근에는 고성능 TEM 장비 사용, 첨단 시료 생산 기술 및 강력한 연산 알고리즘을 비교적 손쉽게 활용할 수 있습니다.
그럼에도 Cryo-EM 분석기술의 개발은 현재 진행형이며, 저희 연구실에서는 최신 분석 기술들을 도입하여 테스트하고, 기본적인 Cryo-EM 및 TEM의 원리에 비추어 보아 현재 루틴하게 활용하고 있는 분석 기술들을 탐구하고 개선하는 노력들을 하고 있습니다.
또한 저희 연구실에서는 Cryo-EM을 활용하여 감염성 바이러스의 주요 단백질의 구조와 기능을 연구하고 있습니다. 특히 바이러스의 유전체와 주요 요소 단백질들을 감싸고 보호하는 캡시드의 구조 및 캡시드 단백질의 자가결합 원리를 연구하고 있으며, 이를 통해 항바이러스 물질의 타겟 발굴 및 기능성 나노입자로써의 활용을 연구하고 있습니다.