노화가 우주에서 더 느리게 진행될까요?
인간 세포 연구를 위한 소형 위성 현미경 어플리케이션
우주 탐사의 중요성은 점점 더 커지고 있으며, 점점 더 많은 우주비행사들이 우주를 탐험하고 있습니다. 한편, 무중력이 인체의 노화에 어떤 영향을 미칠까요? 작은 위성과 소행성에서 발견되는 것과 같은 밀리중력 및 미세중력 조건에서 특정 세포는 어떻게 발달할까요? Swiss Artificial Gravity Experiment (SAGE)는 이 연구 과제에 전념하고 있습니다. 다양한 스위스 대학교 학생들(Academic Space Initiative Switzerland ARIS)로 구성된 이 팀은 인간의 노화 과정이 우주에서 어떻게 변화하고, 세포 노화가 인체의 노화 및 노화와 관련 장애에 어떻게 영향을 미치는지 조사하고자 합니다. 젊은 연구원들은 극단적인 요구 사항을 충족해야 하는 이 생물학적 실험을 위한 위성 플랫폼을 설계하고 있습니다. 완전 자동화 시스템은 필요한 우주 조건에서 오랜 시간 지속되는 테스트 필드 역할을 하며, 연구해야 하는 인간 세포계를 위한 원심 분리기 역할을 합니다. 이 CubeSat 솔루션의 중심에는 미세 유체 칩이 장착된 형광 현미경과 uEye XLE 제품군의 고해상도 USB3 카메라입니다.
인체에서 노화(senescence) 과정은 세포 수준에서 진행됩니다. 이것은 세포가 분열을 멈추고 염증 인자를 분비하는 현상입니다. "NASA와 전 세계의 여러 연구를 통해 세포가 지구보다 미세 중력에서 더 느리게 노화된다는 근거를 발견할 수 있습니다. 이 효과는 세포 노화 중에 방출되는 특정 단백질과 mRNA로 측정할 수 있습니다. 메신저 RNA라고 불리는 mRNA는 세포 노화에 기여하거나 세포 노화를 예방하는 필수 인자로 등장했습니다. 형광 마커를 사용하면 이 mRNA에 라벨링하고, 올바른 빛으로 조사할 때 빛을 내도록 만들 수 있습니다. 전체 실험은 10 입방 센티미터에 불과한 부피로 두 달의 기간에 걸쳐 수행됩니다. 이러한 조건에서 필요한 공정을 측정하고 분석하기 위해 신뢰할 수 있는 소형 형광 현미경이 필요합니다."라고 SAGE Payload 엔지니어 Jonas Schlör는 설명합니다.
실험실 테스트를 위해 U3-38J1XLE-C-HQ 를 현미경에 사용했습니다. 카메라는 미세유체 칩에 배치된 인간 세포에서 형광 mRNA를 캡처합니다. 미세유체 칩은 단일 칩에서 복잡한 실험실 기능의 소형화와 통합을 가능하게 합니다. 이를 통해 공간을 절약하고 필요한 샘플을 줄일 수 있습니다. 미세유체 칩에는 분석할 유체가 흐를 수 있는 새겨지거나 모양이 지정된 미세 채널이 포함되어 있습니다. 미세유체 채널을 사용하면 샘플을 매우 작은 부피로 사용할 수 있습니다. Sony 롤링 셔터 센서 IMX415가 장착된 높은 해상도의 카메라 덕분에 개별 세포를 구별할 수 있습니다. 특히 센서의 높은 픽셀 밀도 덕분에 직경이 15μm에 불과한 개별 세포를 표시할 수 있습니다. 파란색 LED가 미세유체 칩의 세포에 에너지를 공급합니다. 이들은 노화 속도에 따라 다양한 강도의 녹색 빛을 방출합니다. 광학 필터는 세포의 녹색 빛만 렌즈를 통해 카메라로 전달할 수 있습니다. 이를 통해 세포의 일반적인 노화율을 결정할 수 있을 뿐만 아니라, 살아있는 세포의 개수도 결정할 수 있습니다.
"이 카메라는 노출 시간이나 색상 필터와 같은 다양한 소프트웨어 관련 설정 옵션을 갖추고 있어 설계 프로세스 전반에 걸쳐 높은 유연성을 유지할 수 있습니다."
Jonas Schlör는 "지금까지 이러한 방식으로 유사한 연구가 수행된 적이 없었기 때문에 이 데이터는 매우 의미 있고, 과학적인 연관성이 높습니다."라고 설명합니다. 또한, 형광 현미경에 필요한 복잡한 장치가 필요하지 않아 많은 공간을 절약할 수 있습니다. "또한, 카메라는 노출 시간이나 색상 필터와 같은 다양한 소프트웨어 관련 설정 옵션을 갖추고 있어 설계 프로세스 전반에 걸쳐 높은 유연성을 유지할 수 있습니다." 또한 외부 환경의 까다로운 요구를 충족시켜야 합니다. 여기에는 매우 강렬한 진동의 로켓 발사가 포함되며, 진공 및 우주 복사가 있는 궤도 조건도 포함됩니다.
8.41 MP 및 4K 해상도의 U3-38J1XLE Rev.1.1 카메라는 이러한 유형의 시각화 작업에 특히 적합합니다. 2x2 비닝 기능을 활용하여 전송할 데이터의 양을 1/4로 줄일 수 있으므로 광감도와 프레임률을 모두 높일 수 있습니다. Sony의 IMX415 롤링 셔터 센서는 상세한 이미지 분석을 위해 고해상도 데이터를 제공합니다. 이 IDS 카메라는 공간 절약형 디자인으로 임베디드 어플리케이션에 최적으로 통합 가능합니다. 카메라는 마이크로컨트롤러에 의해 제어되며, 마이크로컨트롤러는 위성에 있는 동안 데이터를 처리하고 압축한 후 지구로 전송합니다. 소프트웨어와 제어 알고리즘은 Swiss Academic Space Initiative의 학생들이 직접 개발하고 테스트합니다.
시스템 또는 CubeSat에 대한 높은 요구조건: 후자는 하위 시스템 및 구성 요소에 대한 부착 지점을 제공하고, 발사체에 삽입되는 것부터 서비스 수명이 끝날 때까지 위성의 구조적 안정성을 보장해야 합니다. 모든 구성 요소는 가능한 한 가볍고, 상승하는 동안 발사체에서 발생하는 물리적 압박을 견뎌야 하며, 이후에는 우주의 복사 및 온도 변동을 견뎌야 합니다. 위성 프로토타입은 이미 첫 번째 의미있는 결과를 제공했습니다.
전망
이 실험은 3년 동안 진행되도록 설계되었습니다. 연구 결과를 바탕으로 다양한 시나리오를 예상할 수 있습니다. 예를 들어, 과학자들은 특정 치료법이 우주 비행사의 건강을 향상시킬 수 있는지 알아보고자 합니다. 노화 세포는 특히 치매, 동맥 경화, 당뇨병 및 관절염과 같이 노년기의 삶을 어렵게 만드는 다양한 질병의 원인이 될 수도 있습니다. 또한, 종양 진행에도 기여하는 것으로 의심됩니다. 한 연구에 따르면, SARS-CoV-2도 노화를 유발할 수 있으며, 이는 장기간 지속되는 코로나 증상에 대한 가능성 있는 설명입니다.
Swiss Artificial Gravity Experiment는 가능성이 있는 치료법에 흥미로운 접근법을 제공할 수 있었습니다. 건강 증진에 많은 IDS 카메라가 기여하고 있다는 점에서 더욱 기쁜 소식입니다. IDS 창립자이자 소유주인 Jürgen Hartmann은 "모두의 진심이 담긴 어플리케이션"이라고 강조합니다.
uEye XLE USB3 Vision – 지속적으로 비용-최적화
사용 모델: U3-38J1XLE-C-HQ
고객사
Academic Space Initiative Switzerland에는 우주 탐험에 열정을 가진 스위스 대학 학생들이 한자리에 모입니다. ETH 취리히를 중심으로 구성된 회원들은 이론과 실습을 결합하여 기술적 과제를 해결합니다. 로켓 제작, 최초의 3U-CubeSat 위성도 SAGE(Swiss Artificial Gravity Experiment, 스위스 인공 중력 실험)와 함께 개발되고 있습니다.