KR100781239B1 - 박테리아 유영경로 추적방법 - Google Patents

박테리아 유영경로 추적방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 타원체 형상의 박테리아가 지지체의 표면 부근에서 유영하는 동안에 획득된 박테리아의 이미지로부터 박테리아를 타원체 형상으로 모델링함으로써 박테리아의 유영경로를 정확하게 추적할 수 있도록 하는 박테리아 유영경로 추적방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 박테리아 유영경로 추적방법은 타원체 형상으로 이루어지며, 고체 지지체의 표면과 상기 표면과 평행하게 배치된 가상의 면 사이에 형성된 유영공간에서 유영하는 박테리아의 유영경로를 추적하는 박테리아 유영경로 추적방법에 있어서, 상기 박테리아에 형광성 유전자를 형질감염시키는 형질감염단계; 상기 박테리아를 상기 유영공간에 배치하여 상기 유영공간에서 유영하도록 하는 유영단계; 상기 지지체에 조사되는 광을 전반사시켜 상기 유영공간에 소멸전계를 형성하는 소멸전계 형성단계; 상기 소멸전계 내에서 발광하는, 상기 형광성 유전자가 발현된 박테리아를 상기 박테리아가 유영하는 동안 서로 다른 시점에서 각각 촬영하여, 상기 각 시점에서 상기 형광성 유전자가 발현된 박테리아의 이미지를 획득하는 이미지 획득단계; 및 상기 각 시점에서 획득된 상기 박테리아의 이미지를 타원체 형상으로 피팅하여 상기 박테리아의 형상을 타원체 형상으로 설정하고 상기 박테리아의 상기 지지체에 대한 위치를 설정하는 형상 및 위치 설정단계;를 구비하는 것을 특징으로 한다.

Description

박테리아 유영경로 추적방법{Method for tracking bacteria swimming near the solid surface}
도 1은 종래에 박테리아의 이미지로부터 박테리아의 형상을 구형으로 설정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 박테리아 유영경로 추적방법의 순서도이다.
도 4는 박테리아의 지지체의 표면상에서의 이미지를 획득하는데 사용되는 장치의 개략도이다.
도 5는 도 4에 지시된 "A"부분의 확대도이다.
도 6 내지 도 9는 도 4에의 장치에 의해 획득된 박테리아의 이미지로부터 박테리아의 형상을 타원체 형상으로 모델링하는 과정을 설명하기 위한 개략도이다.
도 10 내지 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 박테리아 유영경로 추적방법을 사용하여 추적된 박테리아의 유영경로와 종래의 방법에 의해 추적된 박테리아의 유영경로를 비교하기 위한 그래프이다.
도 13 및 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 박테리아 유영경로 추적방법을 사용한 경우와 종래의 추적방법을 사용한 경우에 박테리아의 중심의 분포 정도를 설명하기 위한 도면들이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10...아르곤-이온 레이저 발생기 20...반사기
30...유리 기판 40...셀로판 테이프
41...웰 50...지지체
51...바닥면 52...가상의 면
53...유영공간 54...소멸전계
60...카메라
본 발명은 박테리아 유영경로 추적방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 지지체의 표면 부근에서 유영(swimming)하는 타원체 형상의 박테리아의 유영경로를 추적하기 위한 박테리아 유영경로 추적방법에 관한 것이다.
일반적으로 박테리아는 공간에서 무질서하게 운동하나, 특히 고체 지지체의 표면 부근, 예를 들어 지지체 표면으로부터 10㎛ 사이에 형성된 유영공간에서는 일정한 방향성을 가지고 운동, 예를 들어 원운동하는 것으로 널리 알려져 있다. 그리고, 최근에는 이러한 박테리아의 운동을 산업 전반에 적용하고자 하는 시도가 다양하게 나타나고 있다. 예를 들어, 바이오 필터, 바이오 펌프, 바이오 모터 및 바이오 에너지 생성 등이 그러하다.
이와 같이, 박테리아를 산업 전반에 활용하기 위해서는, 우선 박테리아의 유 영경로 추적이 정확하게 이루어져야만 하므로, 이에 대한 연구가 최근까지 꾸준히 진행되어 오고 있다. 그리고, 이러한 연구의 결과로서, 가우시안 피팅법(Gaussian Fitting Method)을 활용하여 박테리아의 중심을 설정하고 이에 따라 박테리아의 유영경로를 추적하는 방법이 널리 활용되고 있다.
이 가우시안 피팅법을 활용한 박테리아 유영경로 추적방법은 다음과 같다. 먼저, 박테리아에 형광성 유전자, 예를 들어 GFP(Green Fluorescent Protein) 유전자를 형질감염(transfection)시킨 후에, 이 GFP 유전자가 발현된 박테리아를 발광시켜 박테리아가 지지체의 부근에서 유영하는 동안에 그 박테리아를 서로 다른 시점에서 각각 촬영함으로써 각 시점에서의 박테리아의 2차원 이미지를 도 1의 상측에 도시되어 있는 바와 같이 획득한다. 이와 같이 획득된 박테리아의 2차원 이미지를 도 1의 하측에 도시되어 있는 바와 같이 가우시안 피팅법으로 피팅하여 박테리아의 형상을 도 1에 점선으로 도시된 원형으로 설정하고 발광강도가 가장 큰 지점을 박테리아의 중심으로 설정한다. 그리고, 박테리아 중심의 발광강도를 주변의 발광강도와 비교하여 박테리아 중심과 지지체 간의 거리를 설정한다. 이와 같이, 박테리아의 중심을 지지체 부근에 설정한 후에, 각 시점에서의 박테리아 중심을 직선으로 연결함으로써 박테리아의 유동경로가 얻어지게 된다. 그리고, 박테리아의 3차원 형상은 지지체 부근에 설정된 박테리아의 중심을 중심으로 일정 반경을 가지는 구형으로 얻어진다.
상술한 바와 같이 종래의 박테리아 유영경로 추적방법에 있어서는, 박테리아의 종류에 관계없이 박테리아의 형상을 구형으로 설정하여 박테리아의 유영경로를 추적하였다. 그런데, RP437 등과 같이 타원체 형상의 박테리아의 유영경로를 추적하는 경우에는 실제 박테리아가 타원체 형상임에도 불구하고 구형으로 모델링됨으로써, 타원체 형상인 박테리아의 실제 중심이 정확하게 설정되지 못하게 되는 문제점이 있었다. 더구나, 박테리아의 형상이 타원체 형상인 경우에는 박테리아의 자세에 따라 박테리아의 장방향 중심축 및 단방향 중심축 각각과 지지체 간의 상대 각도가 달라지게 되나, 종래의 방법으로는 이 상대 각도가 정확하게 설정되지 못하게 되었다. 따라서, 종래에는 타원체 형상의 박테리아의 유영경로를 정확하게 추적할 수 없었다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 타원체 형상의 박테리아가 지지체의 표면 부근에서 유영하는 동안에 획득된 박테리아의 이미지로부터 박테리아를 타원체 형상으로 모델링함으로써 박테리아의 유영경로를 정확하게 추적할 수 있도록 하는 박테리아 유영경로 추적방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 박테리아 유영경로 추적방법은 타원체 형상으로 이루어지며, 고체 지지체의 표면과 상기 표면과 평행하게 배치된 가상의 면 사이에 형성된 유영공간에서 유영하는 박테리아의 유영경로를 추적하는 박테리아 유영경로 추적방법에 있어서, 상기 박테리아에 형광성 유전자를 형질감염시키는 형질감염단계; 상기 박테리아를 상기 유영공간에 배치하여 상기 유영공간에 서 유영하도록 하는 유영단계; 상기 지지체에 조사되는 광을 전반사시켜 상기 유영공간에 소멸전계를 형성하는 소멸전계 형성단계; 상기 소멸전계 내에서 발광하는, 상기 형광성 유전자가 발현된 박테리아를 상기 박테리아가 유영하는 동안 서로 다른 시점에서 각각 촬영하여, 상기 각 시점에서 상기 형광성 유전자가 발현된 박테리아의 이미지를 획득하는 이미지 획득단계; 및 상기 각 시점에서 획득된 상기 박테리아의 이미지를 타원체 형상으로 피팅하여 상기 박테리아의 형상을 타원체 형상으로 설정하고 상기 박테리아의 상기 지지체에 대한 위치를 설정하는 형상 및 위치 설정단계;를 구비하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 박테리아 유영경로 추적방법의 순서도이고, 도 4는 박테리아의 지지체의 표면상에서의 이미지를 획득하는데 사용되는 장치의 개략도이며, 도 5는 도 4에 지시된 "A"부분의 확대도이며, 도 6은 내지 도 9는 도 4에의 장치에 의해 획득된 박테리아의 이미지로부터 박테리아의 형상을 타원체 형상으로 모델링하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 2 내지 도 9를 참조하면, 본 실시예의 박테리아 유영경로 추적방법은 타원체 형상의 박테리아의 유영경로를 추적한다. 본 실시예에서는, 타원체 형상의 박테리아로서 RP437 박테리아가 사용된다. RP437 박테리아는 일반적으로 장방향 중심축, 즉 장축의 길이가 2㎛이며, 단방향 중심축, 즉 단축의 길이가 800nm인 타원체 형상으로 되어 있다. 상기 박테리아 유영경로 추적방법은 도 2에 도시되어 있는 바와 같이 형질감염단계(S100)와, 지지체 표면처리단계(S200)와, 유영단계(S300)와, 소멸전계 형성단계(S400)와, 이미지 획득단계(S500)와, 형상 및 위치 설정단계(S600)를 구비한다.
상기 형질감염단계(S100)에서, RP437 박테리아에 형광성 유전자, 예를 들어 공지의 eGFP(enhanced Green Fluorescent Protein) 유전자를 형질감염시킨다. 여기서, eGFP 유전자는 488nm 파장의 에너지 준위에서 여기된다. 그리고, 형질감염은 플라스미드(plasmid)를 이용하여 이루어지는데, 플라스미드를 이용한 형질감염하는 과정은 이미 널리 알려져 있으므로, 여기서는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, eGFP 유전자를 형질감염시킨 RP437 박테리아를 6시간동안 진탕배양기(shaking incubator)에서 30℃ 온도 및 150rpm 회전수의 배양 조건에서 배양함으로써 이루어지며, 이에 따라 RP437-pGFPmut2 박테리아가 생성된다.
상기 지지체 표면처리단계(S200)에서, 도 4에 도시된 지지체(50)를 표면처리하여 상기 지지체(50)가 전기적으로 중성이 되도록 만든다. 이와 같은 표면처리는 상기 지지체의 표면, 즉 바닥면(51)을, 예를 들어 머크(MERCK)사에서 판매하는 표면처리물질(상품명:Extran MA02)로 닦음으로써 이루어진다. 이와 같이, 표면처리를 하게 되면, 상기 지지체의 바닥면(51)이 클리닝될 뿐만 아니라 상기 박테리아의 유동시 상기 박테리아와 상기 지지체의 바닥면 사이에 정전기적인 인력을 발생시키지 않을 수 있게 된다. 한편, 도 4에 도시된 지지체(50)는 유리로 이루어진 프리즘이다.
상기 유영단계(S300)에서, RP437-pGFPmut2 박테리아를 도 5에 점선으로 구획 되어 도시된 유영공간(53)에 배치하여 상기 유영공간(53)에서 유영하도록 만든다. 상기 유영공간(53)은 상기 지지체의 바닥면(51)과 상기 바닥면(51)과 평행한 가상의 면(53) 사이에 형성되며, 구체적으로 다음과 같은 과정을 통해서 형성된다. 즉, 상기 유영공간(53)은 유리 기판(30) 위에 셀로판 테이프(40)를 붙이고 셀로판 테이프(40)의 중앙 부분을 절개하여 오목한 형상의 웰(41)을 형성한 후에 상기 셀로판 테이프(40)에 지지체(50)를 접촉시킴으로써 형성된다. 즉, 도 5에 도시되어 있는 바와 같이, 상기 유영공간(53)은 상기 웰(41)의 내측면과 상기 지지체의 바닥면(51)에 의해 형성된 공간으로 이루어져 있다. 그리고, 상기 유영공간(53)에는 배지가 가득 충전되어 있다. 상기 유영공간(53)는 그 깊이를 다양하게 형성될 수 있으나, RP437-pGFPmut2 박테리아의 규칙적인 운동을 관찰하기 위해서는 10㎛ 이하의 깊이를 가지도록 형성하는 것이 바람직하다.
상기 소멸전계 형성단계(S400)에서, 상기 유영공간(53)에 상기 지지체의 바닥면(51)으로부터 일정 두께로 소멸전계(evanescent field, 54)를 형성시킨다. 이 소멸전계(54)는 도 4에 도시되어 있는 바와 같이 아르곤-이온 레이저 발생기(10)에서 발생된 488nm 파장의 레이저 광을 한 쌍의 반사기(20)에서 반사시킨 후 상기 지지체(50)에 조사하여 상기 지지체의 바닥면(51)에서 전반사시킴으로써 형성된다. 이 소멸전계(54)는 일반적으로 전자기장(electromagnetic field)으로 알려져 있으며, 이 소멸전계내에서의 에너지 준위는 전반사가 이루어지는 표면, 즉 상기 지지체의 바닥면(51)으로부터 멀어질수록 지수적으로 감소됨이 널리 알려져 있다. 또 한, 소멸전계의 두께(zp)는 문헌[Hecht E(2002) Optics, 4th edn, Addison-Wesley, Reading, Massachusetts, pp 124-127] 및 문헌[K. D. Kihm, A. Banerjee, C. K. Choi, T. Takagi, 2004, Near-wall hindered Brownian diffusion of nanoparticles examined by three-dimensional ratiometric total internal reflection fluorescence microscopy(3-D R-TIRFM), Experiments in fluids, Vol. 37, pp 811-824.] 등에 이미 널리 알려져 있는 바와 같이 하기 <수학식 1>에서 이론적으로 계산될 수 있다.
Figure 112006039732206-pat00001
여기서, zp는 소멸전계(53)의 두께(nm)이고, θi은 지지체(50)로 입사되는 레이저 광의 입사각(rad)이며, n1은 지지체(50)의 굴절률이며, n2는 배지의 굴절률이며, λ는 레이저 광의 파장(nm)이다. 상기 <수학식 1>에서 θi에 입사각에 1.104rad을, n1에 유리로 이루어진 지지체의 굴절률1.515를, n2에 배지의 굴절률 1.3338을, λ는 레이저 광의 파장 488nm을 대입하여 계산하면, 소멸전계의 두께 zp는 대략 170nm가 됨을 알 수 있다. 따라서, 본 실시예에 있어서는 대략 170nm 두께의 소멸전계가 형성된다.
상기 이미지 획득단계(S500)에서, 도 4에 도시되어 있는 바와 같이 유리 기 판(30) 아래에 카메라(60)를 설치하고 이미 널리 알려져 있는 입자영상유속계(PIV:Particle Image Velocimetry)기법 또는 입자추적유속계(PTV:Particle Tracking Velocimerty)기법을 사용하여 eGFP 유전자가 발현된 RP437 박테리아를 서로 다른 시점에 각각 촬영함으로써 각 시점에서의 박테리아의 이미지를 획득한다. 이 때에, eGFP 유전자가 발현된 RP437 박테리아, 즉 RP437-pGFPmut2 박테리아의 이미지는 상기 소멸전계 내에서 발광하는 박테리아의 이미지이다. 구체적으로 살펴보면, 상기 박테리아 전체가 상기 소멸전계 내에 배치되면 상기 박테리아 전체의 이미지를 획득할 수 있으나, 상기 박테리아의 일부분이 상기 소멸전계 내에 배치되면 상기 박테리아 일부분의 이미지만을 획득할 수 있게 된다. 그리고, RP437-pGFPmut2 박테리아의 이미지에는 발광강도가 포함되어 있다. 또한, 상기 박테리아는 상기 유리 기판의 하방에서 촬영되므로, 도 6에 도시되어 있는 바와 같이 상기 지지체의 바닥면(51)상에서의 2차원 이미지로 얻어진다. 여기서, 상기 지지체의 바닥면(51)은 편의상 x-y 평면으로 설정되어 있다.
상기 형상 및 위치 설정단계(S600)에서, 상기 각 시점에서 획득된 RP437-pGFPmut2 박테리아의 이미지를 타원체 형상으로 피팅하여 상기 박테리아의 형상을 종래와 달리 실제 박테리아 형상인 타원체 형상으로 설정할 뿐만 아니라, RP437-pGFPmut2 박테리아의 상기 지지체의 바닥면(51)에 대한 상대 위치도 설정한다. 이와 같이 박테리아를 타원체 형상으로 피팅하고 상기 지지체의 바닥면(51)에 대한 상대 위치를 설정하는 과정을 도 3을 참조하면서 보다 구체적으로 살펴보면, 중심축선 설정단계(S610)와, 발광포인트 설정단계(S620)와, 수직거리 설정단계(S630) 와, 발광포인트 배치단계(S640)와, 피팅단계(S650)와, 모델링단계(S660)와, 유영경로 결정단계(S670)를 포함한다.
상기 중심축선 설정단계(S610)에서, 먼저 각 시점에 획득된 RP437-pGFPmut2 박테리아의 이미지상에 배치되는 복수의 발광포인트(A)를 설정한다. 여기서, 각 발광포인트(A)는 도 6에 도시되어 있는 바와 같이 등간격을 이루도록 배치되며, 미리 설정된 설정값 이상의 발광강도를 가진다. 그리고, 상기 설정값은 상기 박테리아의 이미지에 포함된 노이즈(noise) 부분의 발광강도를 기준으로 설정되며, 본 실시예에 있어서는 상기 노이즈 부분의 발광강도보다 30% 이상 더 큰 값으로 설정한다. 그 후에, 각 시점에서의 발광포인트(A)들에 대해 공지의 최소자승법(linear least square fitting method)을 적용하게 되면, 상기 발광포인트(A)들의 중심축선(L)을 도 6에 도시되어 있는 바와 같이 지지체의 바닥면(51), 즉 x-y평면 상에 설정할 수 있게 된다. 이와 같이, 설정된 각 시점에서의 중심축선(L)은 그 시점에서의 RP437-pGFPmut2 박테리아의 이미지의 중심축선에 해당한다.
상기 발광포인트 설정단계(S620)에서, 상기 각 시점에서의 중심축선(L) 상에 복수의 발광포인트(B)를 설정한다. 여기서, 각 발광포인트(B)는 도 7 및 8에 도시되어 있는 바와 같이 등간격을 이루도록 배치되며, 미리 설정된 설정값 이상의 발광강도를 가진다. 그리고, 상기 설정값은 앞서 설명한 바와 마찬가지로 상기 노이즈 부분의 발광강도보다 30% 이상 더 큰 값으로 설정한다.
상기 수직거리 설정단계(S630)에서, 먼저 상기 각 시점에서 상기 중심축선 상에 배치된 각 발광포인트(B)의 발광강도를 미리 설정된 기준값과 비교한다. 여 기서, 상기 기준값은 상기 지지체의 바닥면(51)과 상기 소멸전계(54)의 경계면상에서 발광하는 상기 박테리아의 발광강도이다. 그 후에, 하기 <수학식 2>를 이용하여 상기 각 발광포인트(B)와 상기 지지체(51) 간의 수직거리(Δh)를 결정한다. 여기서, <수학식 2>는 소멸전계에서 변위와 에너지 준위와의 상관관계를 나타내는 식으로서, 문헌[Hecht E(2002) Optics, 4th edn, Addison-Wesley, Reading, Massachusetts, pp 124-127] 및 문헌[K. D. Kihm, A. Banerjee, C. K. Choi, T. Takagi, 2004, Near-wall hindered Brownian diffusion of nanoparticles examined by three-dimensional ratiometric total internal reflection fluorescence microscopy(3-D R-TIRFM), Experiments in fluids, Vol. 37, pp 811-824.] 등에 이미 개시되어 있다.
Figure 112006039732206-pat00002
여기서, I1은 상기 각 발광포인트의 발광강도이고, I2 는 상기 기준값이며, I1과 I2는 서로 동일한 단위를 가지며, zp는 상기 소멸전계의 두께(nm)이며, 상기 Δh는 상기 각 발광포인트의 수직거리(nm)이다.
상기 발광포인트 배치단계(S640)에서, 상기 각 시점에서 <수학식 2>에 의해 설정된 상기 각 발광포인트(B)의 수직거리(Δh)를 이용하여, 상기 각 발광포인트(B)를 도 8에 도시되어 있는 바와 같이 z-L 평면상에 배치한다. 여기서, z-L 평 면은 상기 중심축선(L)을 포함하며 상기 지지체의 바닥(51)면에 대해 수직인 가상의 수직 평면을 말한다.
상기 피팅단계(S650)에서, 상기 각 시점에서 상기 가상의 수직 평면상에 배치된 상기 발광포인트(B')들을 타원 형상으로 피팅함으로써 도 9에 도시되어 있는 바와 같이 상기 박테리아의 상기 가상의 수직평면상에서의 이미지를 타원 형상으로 결정한다. 이와 같이 결정된 박테리아의 타원 형상은 다양한 인자, 예를 들어 장축 및 단축의 크기에 따라 달라질 수 있으므로, 타원 형상으로 피팅하기 전에 적어도 박테리아의 장축 및 단축의 크기를 미리 설정해야한다. 예를 들어, 본 실시예에서는 RP437 박테리아가 사용되고 있으므로, 장축의 길이를 2㎛로, 단축의 길이를 800nm로 설정한 후에 타원 형상으로 피팅한다.
상기 모델링단계(S660)에서, 상기 피팅단계(S650)에서 결정된 상기 타원 형상의 박테리아 이미지를 이용하여 상기 각 시점에서 상기 박테리아의 상기 유영공간(53)에서의 형상을 타원체 형상으로 모델링한다. 즉, 상기 피팅단계(S650)에서 결정된 박테리아의 타원 형상을 장축을 중심으로 회전시킴으로써 상기 박테리아의 상기 유영공간(53)에서의 3차원 이미지를 모델링하여 얻을 수 있게 된다.
상기 유영경로 결정단계(S670)에서는, 먼저 상기 모델링단계(S660)에서 모델링된 상기 박테리아의 3차원 형상으로부터 상기 각 시점에서의 상기 박테리아의 중심을 결정한다. 그리고 나서, 상기 각 시점에서의 상기 박테리아의 중심을 상호 직선으로 연결함으로써 도 10 내지 도 12에 도시된 바와 같이 상기 유영공간에서 박테리아의 유영경로를 얻을 수 있게 된다. 또한, 상기 각 시점에서의 상기 박테 리아의 자세, 예를 들어 박테리아의 장축과 지지체의 표면 간의 각도(α) 및/또는 박테리아의 단축과 지지체의 표면 간의 각도(β)도 구할 수도 있게 된다.
상술한 바와 같이 결정된 각 시점에서의 박테리아 중심을 직선으로 연결하여 얻어진 박테리아의 유영경로가 도 10 내지 도 12에 도시하였다. 그리고, 도 10 내지 도 12에는 종래의 방법에 의해 얻어진 박테리아의 유영경로도 연두색 점선으로 도시되어 있다. 또한, 본 실시예에 의해 결정된 박테리아의 유영경로는 빨간색 직선 및 파란색 직선으로 도시되어 있다. 여기서, 빨간색 직선은 박테리아가 도 4에 도시된 유영공간에서 상방으로 유영하는 것을, 파란색 직선은 박테리아가 하방으로 유영하는 것을 나타낸다.
도 10 내지 도 12에 도시되어 있는 바와 같이, x-y평면상에서의 박테리아의 유동경로는 본 실시예에의 방법을 사용한 경우나 종래의 방법을 사용한 경우나 거의 유사하게 추적된다는 점을 알 수 있다. 그러나, z-x평면상에서의 박테리아의 유동경로는 현저하게 다르다는 것을 알 수 있다. 즉, 종래와 달리 박테리아가 지지체의 바닥면으로부터 훨씬 더 심하게 요동치면서 운동하고 있음을 알 수 있다. 이는, 박테리아가 타원체 형상으로 이루어져 있어서 박테리아의 발광 이미지로부터 박테리아를 실제 형상에 근접하도록 타원체 형상으로 모델링하게 되면, 모델링된 박테리아의 중심과 실제 유영하는 박테리아의 중심 간의 오차가 종래에 비해 훨씬 적게 발생하기 때문이다.
한편, 본 실시예의 방법으로 모델링된 박테리아의 중심과 실제 유영하는 박테리아의 중심 간의 오차가 종래에 비해 훨씬 작다는 점은 확인하기 위해서, 타원 체 형상으로 된 가상의 박테리아(장축의 길이: 2㎛, 단축의 길이:800nm)를 가상의 소멸전계(두께:250nm) 내에 배치한 후에, 가상의 박테리아를 그 박테리아의 중심을 중심으로 무작위적으로 회전시킨다. 이와 같이 하면, 소멸전계 내에 배치되어 발광하는 가상의 박테리아의 부분이 그 가상의 박테리아의 회전 상태에 따라 변하게 되므로, 회전상태에 따라 가상의 박테리아의 이미지도 변하게 된다. 따라서, 회전상태에 따라 다르게 획득된 가상의 박테리아 이미지를 기초로, 본 실시예의 추적방법을 사용하여 그 박테리아 이미지의 중심을 설정하고 이 설정된 중심을 x-y평면에 도시하면 도 13에 도시된 도면을 얻을 수 있다. 도 13에 도시되어 있는 바와 같이, 본 실시예의 추적방법을 사용하게 되면, 가상의 박테리아의 회전 상태에 무관하게 가상의 박테리아의 이미지로부터 설정된 이미지의 중심을 가상의 박테리아의 중심과 거의 일치하게 설정할 수 있다는 점을 확인할 수 있다. 한편, 도 14에는, 종래의 추적방법에 따라 설정된 가상의 박테리아 이미지의 중심이 가상의 박테리아의 중심 주위에 산포되어 있는 정도가 도시되어 있다. 도 14에 도시되어 있는 바와 같이, 종래의 추적방법을 사용하게 되면, 박테리아의 중심이 실제와 상당히 다르게 설정된다는 점을 확인할 수 있다. 한편, 도 13 및 도 14에 설정된 x축 및 y축의 단위(픽셀)은 가상의 박테리아 이미지의 화소로서, 1 픽셀은 6.4㎛를 나타내며, 가상의 박테리아의 중심은 (0,0)으로 설정되어 있다.
상술한 바와 같이, 본 실시예의 박테리아 유영경로 추적방법을 사용하게 되면, 타원체 형상의 박테리아가 지지체의 바닥면 부근에 형성된 유영공간에서 유영하는 동안 그 박테리아의 발광강도가 포함된 이미지로부터 박테리아의 형상 및 박 테리아와 지지체의 바닥면 간의 상대 위치를 설정할 수 있게 된다. 특히, 종래와 달리 타원체 형상의 박테리아를 실제 형상에 근접하게 타원체 형상으로 모델링함으로써, 종래에 비해 박테리아의 형상 및 지지체와의 상대 위치를 정확하게 얻을 수 있으며, 나아가 박테리아의 유영경로도 정확하게 추적할 수 있게 된다. 이와 같이 박테리아의 유영경로를 정확하게 추적하게 되면, 박테리아의 운동을 정확하게 제어할 수 있게 되므로, 바이오 필터, 바이오 펌프, 바이오 모터 및 바이오 에너지 생성 등 산업 전반에 박테리아를 효과적으로 활용할 수 있게 된다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 많은 변형이 가능함은 명백하다.
상기한 구성의 본 발명에 따르면, 타원체 형상의 박테리아가 지지체의 표면 부근에서 유영하는 동안에 획득된 박테리아의 이미지로부터 박테리아를 타원체 형상으로 모델링함으로써 박테리아의 유영경로를 정확하게 추적할 수 있게 된다.

Claims (6)

  1. 타원체 형상으로 이루어지며, 고체 지지체의 표면과 상기 표면과 평행하게 배치된 가상의 면 사이에 형성된 유영공간에서 유영하는 박테리아의 유영경로를 추적하는 박테리아 유영경로 추적방법에 있어서,
    상기 박테리아에 형광성 유전자를 형질감염시키는 형질감염단계;
    상기 박테리아를 상기 유영공간에 배치하여 상기 유영공간에서 유영하도록 하는 유영단계;
    상기 지지체에 조사되는 광을 전반사시켜 상기 유영공간에 소멸전계를 형성하는 소멸전계 형성단계;
    상기 소멸전계 내에서 발광하는, 상기 형광성 유전자가 발현된 박테리아를 상기 박테리아가 유영하는 동안 서로 다른 시점에서 각각 촬영하여, 상기 각 시점에서 상기 형광성 유전자가 발현된 박테리아의 이미지를 획득하는 이미지 획득단계; 및
    상기 각 시점에서 획득된 상기 박테리아의 이미지를 타원체 형상으로 피팅하여 상기 박테리아의 형상을 타원체 형상으로 설정하고 상기 박테리아의 상기 지지체에 대한 위치를 설정하는 형상 및 위치 설정단계;를 구비하는 것을 특징으로 하는 박테리아 유영경로 추적방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 박테리아의 이미지는, 상기 지지체의 표면상에서의 2차원 이미지로서 발광강도를 포함하며,
    상기 형상 및 위치 설정단계는,
    상기 각 시점에서 획득된 상기 박테리아의 이미지로부터 상기 박테리아의 이미지의 중심축선을 설정하는 중심축선 설정단계;
    상기 각 시점에서 설정된 상기 박테리아의 이미지의 중심축선 상에 배치되며 발광강도를 가지는 복수의 발광포인트를 설정하는 발광포인트 설정단계;
    상기 각 시점에서의 상기 각 발광포인트의 발광강도를 기준값과 비교하여 상기 각 발광포인트와 상기 지지체 간의 수직거리를 설정하는 수직거리 설정단계;
    상기 각 발광포인트의 수직거리를 이용하여, 상기 각 시점에서 상기 중심축선을 포함하며 상기 지지체에 수직인 가상의 수직 평면상에 상기 각 발광포인트를 배치하는 발광포인트 배치단계; 및
    상기 각 시점에서 상기 가상의 수직 평면상에 배치된 상기 각 발광포인트를 타원 형상으로 피팅하여 상기 박테리아의 상기 가상의 수직 평면상에서의 이미지를 타원 형상으로 결정하는 피팅단계;를 구비하는 것을 특징으로 하는 박테리아 유영경로 추적방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 피팅단계에서 결정된 상기 타원 형상의 박테리아 이미지를 이용하여 상기 각 시점에서 상기 박테리아의 상기 유영공간에서의 형상을 타원체 형상으로 모 델링하는 모델링단계; 및
    상기 모델링단계에서 모델링된 상기 박테리아의 형상으로부터 상기 각 시점에서의 상기 박테리아의 중심을 결정하고 상기 각 시점에서의 상기 박테리아의 중심을 상호 직선으로 연결함으로써 상기 박테리아의 유영경로를 결정하는 유영경로 결정단계;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 박테리아 유영경로 추적방법.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 중심축선 설정단계에서, 상기 박테리아의 이미지상에 배치되며 일정 발광강도 이상을 가지는 복수의 발광포인트를 설정한 후에 상기 발광포인트들에 대해 최소자승법을 적용하여 상기 발광포인트들의 중심축선을 설정하는 것을 특징으로 하는 박테리아 유영경로 추적방법.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 수직거리 설정단계에서, 상기 기준값은 상기 지지체와 상기 소멸전계의 경계면상에서의 상기 박테리아의 발광강도이며, 상기 각 발광포인트의 수직거리는 하기 수학식에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 박테리아 유영경로 추적방법.
    <수학식>
    Figure 112006039732206-pat00003
    [여기서, I1은 상기 각 발광포인트의 발광강도이고, I2 는 상기 기준값이며, I1과 I2는 서로 동일한 단위를 가지며, zp는 상기 소멸전계의 두께(nm)이며, 상기 Δh는 상기 각 발광포인트의 수직거리(nm)임]
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지지체가 전기적으로 중성이 되도록 상기 지지체를 처리하는 지지체 처리단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 박테리아 유영경로 추적방법.
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011011052A1 (en) 2009-07-20 2011-01-27 Thomson Licensing A method for detecting and adapting video processing for far-view scenes in sports video
WO2011011059A1 (en) * 2009-07-21 2011-01-27 Thomson Licensing A trajectory-based method to detect and enhance a moving object in a video sequence
GB2565074A (en) * 2017-07-31 2019-02-06 Univ Bristol Method and apparatus for bacterial analysis

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07271995A (ja) * 1994-02-14 1995-10-20 Hitachi Ltd 画像処理装置および画像処理方法
JP2000078999A (ja) 1998-09-04 2000-03-21 Monotekku Kk 微生物の検出方法及びその装置
KR20010002209A (ko) * 1999-06-12 2001-01-05 장희동 실시간 처리가 가능한 타원해석 볼륨렌더링 방법
JP2001022929A (ja) 1999-07-07 2001-01-26 Meidensha Corp 群体微生物検出方法および装置

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5005147A (en) * 1988-12-30 1991-04-02 The United States Of America As Represented By The Administrator, The National Aeronautics And Space Administration Method and apparatus for sensor fusion
US6741756B1 (en) * 1999-09-30 2004-05-25 Microsoft Corp. System and method for estimating the orientation of an object
WO2001078005A2 (en) * 2000-04-11 2001-10-18 Cornell Research Foundation, Inc. System and method for three-dimensional image rendering and analysis
EP1766552A2 (en) * 2004-06-23 2007-03-28 Strider Labs, Inc. System and method for 3d object recognition using range and intensity

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07271995A (ja) * 1994-02-14 1995-10-20 Hitachi Ltd 画像処理装置および画像処理方法
JP2000078999A (ja) 1998-09-04 2000-03-21 Monotekku Kk 微生物の検出方法及びその装置
KR20010002209A (ko) * 1999-06-12 2001-01-05 장희동 실시간 처리가 가능한 타원해석 볼륨렌더링 방법
JP2001022929A (ja) 1999-07-07 2001-01-26 Meidensha Corp 群体微生物検出方法および装置

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