Experiment: 유세포 분석(Flow Cytometry)이란 무엇인가

우리 몸과 모든 생명체는 세포로 이루어져 있다. 세포들이 모여 조직을 이루고 조직이 모여 기관을 만들며 기관들이 모여 하나의 생명체를 이룬다. 그러므로 세포는 생명체를 구성하는 작은 단위라 할 수 있다. 세포는 여러 종류가 있으며 세포 각각이 만들어 내는 단백질들에 따라 그 기능이 달라진다.

생물학 분야에서 각 세포가 할 수 있는 일을 밝혀내는 것은 중요한 과제다. 그러나 세포들은 매우 작기 때문에 맨눈으로 확인하기는 애초에 불가능하다. 하지만 우리의 똑똑한 선배님들은 방법을 찾아냈다. 각 세포가 가지는 단백질에 이름표들을 달아주고 그 이름표를 기계로 읽는 것이다. 이 실험 방법을 유세포 분석(Flow cytometry)이라 한다. 세포들이 가지는 단백질들을 밝혀냄으로써 그 세포가 할 수 있는 일을 밝혀내는 것이 목표이다. 

단백질에 달아주는 이름표는 크게 항체와 항체에 달린 형광으로 이루어져 있다.
 - 항체: 면역 반응을 위해 만들어진 단백질의 일종으로 특정 단백질에 단단하게 달라붙는 성질을 가지고 있다.
 - 형광: 특정 파장의 빛을 흡수하는 성질을 가진 물질을 말한다. 이렇게 특정 파장을 흡수한 후 흡수한 파장과는 다른 파장의 빛을 방출하며 이는 흡수한 파장보다 긴 파장을 갖는다. 
각각의 특정 단백질에 달라붙는 항체에 서로 다른 색의 형광을 붙여주고 이 형광에서 나오는 빛을 기계가 읽어서 세포가 그 단백질을 가졌는지 아닌지 판별할 수 있다. 

역사상 첫 번째 유세포 분석기는 1953년에 특허 등록되었다고 하는데 이런 것까지는 실험하는 데 그렇게 중요한 지식은 아닌 것 같으니 넘어가겠다. 아무튼 발명된 이후로 발전에 발전을 거듭하여 작금에 이르러서는 수천 개의 세포들을 초 단위로 실시간 분석할 수 있는 지경까지 이르게 되었으며 생물학 연구뿐만 아니라 각종 질병 및 질환을 판별하는 도구로도 활용되고 있다. 또한 단순히 세포가 가지고 있는 단백질의 종류를 확인하는 데서 그치는 게 아닌 세포들을 종류별로 분류할 수 있는 기술로까지 발전하여 실험에 이용되고 있다. 이는 다음에 따로 다뤄보도록 하겠다. 

유세포 분석기는 크게 5가지의 구성 부분으로 이루어져 있다.
1. 유세포: 세포가 흘러가는 액체 부분으로 세포가 일렬로 레이저를 지나가게 해 주는 역할을 한다.
2. 측정 시스템: 세포들에 쏴주는 레이저 및 레이저를 냉각시켜 주는 부분 등이 포함된 부분이다.
3. 아날로그-디지털 변환기(ADC): 레이저 빛을 통해 얻은 정보를 분석할 수 있는 전기 신호로 바꾸어 준다.
4. 증폭 시스템
5. 컴퓨터: 측정 장비로부터 받은 정보를 분석하게 해주는 프로그램이 설치된 컴퓨터이다. 

현대의 기기들은 여러 개의 레이저와 형광 감지기들을 가지고 있다. 레이저 형광을 활성화하는 빛을 쏴주는 역할을 한다. 레이저는 보통 쏴 주는 빛의 파장에 따라 Red, Green/yellow, Blue, Violet, UV로 불리며 형광의 종류에 따라 활성화하는 레이저의 종류가 달라진다. 예를 들어 APC, APC-Cy 7이라는 형광은 Red laser의 빛을 흡수하여 활성화되고, FITC 형광의 경우 Blue laser를 흡수하여 빛을 내는 식이다. 다양한 형광의 사용은 더 많은 종류의 단백질을 구분할 수 있게 해 준다. 그러나 형광을 활성화하기 위해 쏴주는 레이저는 단파장의 레이저지만, 형광이 흡수 후에 방출하는 빛의 스펙트럼은 범위가 생각보다 넓기 때문에 다른 형광이 방출하는 빛 파장의 범위와 겹칠 수 있다. 이 경우 범위가 겹치는 형광 중 어떤 형광이 만들어낸 빛이 감지 된 것인지 알아내기가 어렵기 때문에 처음 형광 조합을 디자인 할 때 신경 써야 하는 부분 중 하나이다.

기기를 통해 세포들의 정보를 읽고 나면 컴퓨터를 이용해 분석해야 한다. 유세포 분석 기기를 이용해 생성된 데이터는 히스토그램으로 1차원적으로 표현하거나 2차원의 좌표 평면에 점을 찍음으로써 나타낼 수 있다. 좌표들은 보통 로그로 표현되는데 이는 숫자로 변환된 형광의 세기의 구분을 용이하게 하기 위함이다. 각각의 점들은 각 세포가 발현하는 형광의 세기라 생각할 수 있다. 이렇게 표현한 좌표 평면상에서 서로 모여 있는 점들을 구획화하여 분류하는 작업을 게이팅(gating)이라 한다. 게이팅을 통해 각각의 세포들은 나눠 세포들을 분류할 수 있고 기능을 규명해 낼 수 있다.

게이팅은 실험자에 따라, 보고자 하는 세포 집단이 무엇이냐에 따라, 사용하는 표지자가 무엇이냐에 따라 다양하게 구성될 수 있다. 그러나 기본적으로 깔고 들어가는 게이팅이 있는데 그것은 Forward Scatter(FSC)와 Side Scatter(SSC)를 이용해 Single cell을 구분하는 것이다. 유세포 분석은 액체를 통해 세포를 흘려보내고 세포 하나하나가 가지는 신호를 읽어내는 것이 목표이다. 그러나 세포가 서로 붙어 있거나 하는 등의 이유로 한 번에 여러 개의 세포가 동시에 통과하는 경우가 생길 수 있다. 이러한 경우 방출하는 빛의 세기가 달라질 수 있어 실험 결과 분석에 차질이 생기게 된다. 이를 피하기 위해 하나의 세포가 통과한 데이터만을 분리해 내기 위한 사전 작업이라 할 수 있다. 
 - Forward Scatter(FSC): 세포를 통과 또는 투과한 빛을 측정하여 세포의 크기를 나타낸 수치이다.
 - Side Scatter(SSC): 세포 내부를 구성하고 있는 물질 및 세포 소기관에 의해 세포를 통과하지 못하고 수직으로 산란한 빛을 측정한 수치로 세포 내부가 얼마나 복잡한지를 나타내는 지표이다.

이후 실험 목적 및 관찰하고자 하는 타깃에 따라 하위 게이트들을 구성해서 나가면 된다.