학문
세포배양방식 관련해서 질문있습니다.
회분식 배양, 유가식 배양, 연속식 배양, 관류식 배양중에서 고동노 세포 배양이 가능한 세포 배양 방식 두가지는 뭔가요?? 그리고 이론적으로 봤을때 생산성이 가장높은 배양방식이 뭔지 자세히 설명해주세요
4개의 답변이 있어요!
안녕하세요. 임형준 수의사입니다.
고농도 세포 배양에 적합한 방식은 유가식과 관류식입니다. 유가식은 영양분을 추가해 세포 성장을 유지하고 관류식은 새 배지를 공급하면서 노폐물을 제거하고 세포를 배양기 안에 유지합니다. 이론적으로 관류식은 높은 세포밀도를 지속적으로 유지할 수 있어 단위 부피 시간당 생산성이 가장 높을 수 있습니다.
안녕하세요, 검소한후루티88님. 이중철 전문가입니다.
먼저, 회분식, 유가식, 연속식, 관류식 배양 중에서 세포를 빽빽하게 증식시키는 고농도 세포 배양이 가능한 방식은 유가식 배양과 관류식 배양이며, 이 가운데 단위 부피와 시간당 생산성이 이론적으로 가장 높은 방식은 관류식 배양이랍니다.
■ 고농도 세포 배양을 가능하게 하는 유가식과 관류식의 메커니즘
일반적인 회분식 배양은 초기에 투입한 영양분이 빠르게 고갈되고 젖산 같은 대사 노폐물이 쌓여 세포가 일정 밀도 이상 자라지 못하고 사멸합니다. 또한 일반 연속식 배양은 배지를 공급하는 속도에 맞춰 배양액을 그대로 배출하기 때문에, 세포 분열 속도보다 배지 교체 속도가 빠르면 세포가 밖으로 씻겨 나가는 유출 현상이 일어나 고농도를 유지하기 어려운데요. 반면 유가식 배양은 세포의 증식 속도에 맞춰 고농도 영양액을 지속적으로 첨가하여 부피를 채워감으로써 영양 결핍을 막고 배양 기간을 크게 늘려 세포 농도를 높입니다. 관류식 배양은 여기서 한 걸음 더 나아가, 여과막이나 음향파 등을 활용한 세포 잔류 시스템을 장착하여 세포는 배양기 안에 가두어두고 노폐물이 포함된 낡은 배지만 선택적으로 뽑아냅니다. 이 덕분에 관류식은 세포 손실 없이 신선한 영양을 무한히 공급받아 밀리리터당 1억 개 이상의 극단적인 초고농도 세포 상태를 달성할 수 있습니다.
■ 관류식 배양이 이론적으로 가장 높은 생산성을 나타내는 원리
생명공학 공정에서 생산성은 배양기 단위 부피당 하루에 생산되는 목적 단백질의 양을 뜻하는 용적 생산성으로 평가합니다. 관류식 배양이 이론상 최고의 생산성을 보이는 첫 번째 이유는 살아있는 세포의 밀도 자체가 유가식 대비 최소 수 배에서 수십 배까지 높기 때문입니다. 단백질을 만드는 공장 역할을 하는 세포의 수가 배양기 안에 압도적으로 많으니 생성물의 총량도 정비례하여 증가하는데요. 두 번째는 세포 독성을 일으키는 젖산과 암모니아가 실시간으로 걸러져 나가므로 세포 생존율이 90퍼센트 이상으로 아주 오랫동안 건강하게 유지된다는 점입니다. 세 번째는 공정의 비가동 시간을 최소화할 수 있다는 효율성입니다. 유가식은 열흘에서 보름 정도 배양한 뒤 수확하고 나면 배양기를 세척하고 멸균하여 다시 세포를 접종하는 데 며칠이 소요되지만, 관류식은 정상 상태에 도달하면 수주에서 수개월 동안 멈추지 않고 연속으로 의약품을 뿜어낼 수 있어 장기적인 생산 효율이 극대화되거든요.
정리하자면,
영양 공급과 노폐물 제거 한계를 극복한 유가식 배양과 관류식 배양이 고농도 세포 배양을 구현하는 두 가지 핵심 방식이며, 그중에서도 세포를 배양기 안에 온전히 가둔 채 신선한 배지만 끊임없이 순환시켜 초고밀도 상태를 장기간 유지하는 관류식 배양이 이론적으로 가장 높은 용적 생산성을 지닌 방식입니다.
※ 질문자님을 포함하여 소중한 분들의 건강, 재산과 안전을 지키고, 혹시나 발생할 수 있을 다양한 문제 상황에 놓이지 않기 위해서라도 저를 포함하여 다양한 토픽에서 활동하는 모든 전문가분들의 아하 지식커뮤니티에서의 답변은 예외 없이 참고 용도로만 유용하게 활용하시기 바랍니다.😉
안녕하세요. 세포배양 방식 중 고농도 세포 배양이 가능한 대표적인 두 가지 방식은 유가식 배양과 관류식 배양입니다. 이 두 방식은 배양이 진행되는 동안 영양분을 공급하거나 배양액을 교체함으로써 세포의 성장과 생존을 효과적으로 유지할 수 있다는 공통점이 있습니다.
먼저 유가식 배양은 배양을 시작할 때 기본 배양액을 넣고, 배양이 진행되는 동안 포도당이나 아미노산 등의 영양분을 추가로 공급하는 방식입니다. 일반적으로 배양 중 배양액을 지속적으로 제거하지 않기 때문에 세포와 생산물이 배양기 내부에 축적될 수 있는데요, 회분식 배양보다 영양분 부족을 늦추고 세포의 성장을 더 오래 유지하여 높은 세포 농도와 생산량을 얻을 수 있습니다. 다만 배양이 진행되면서 젖산이나 암모니아 같은 대사 부산물이 축적될 수 있으므로 영양분 공급량과 배양 조건을 적절하게 조절해야 합니다.
반면 관류식 배양은 신선한 배양액을 지속적으로 공급하면서 사용된 배양액과 대사 부산물을 제거하는 방식입니다. 이때 세포 유지 장치를 이용해 세포가 배양액과 함께 배출되지 않도록 배양기 내부에 남겨 두는데요, 결과적으로 영양분을 지속적으로 공급하고 노폐물 축적을 줄이면서 매우 높은 세포 농도를 유지할 수 있습니다. 특히 동물세포를 이용한 바이오의약품 생산에서 유용하게 활용됩니다. 네 가지 배양 방식의 차이를 살펴보면, 회분식 배양은 처음에 배양액과 영양분을 공급한 뒤 배양 종료 시점까지 추가 공급이나 배양액 교체를 하지 않는 방식입니다. 운전이 비교적 간단하지만 영양분이 고갈되고 대사 부산물이 축적되면서 세포의 성장이 제한될 수 있습니다. 유가식 배양은 배양 중 영양분을 추가로 공급하여 세포 성장을 연장하지만, 배양액을 지속적으로 교체하지 않으므로 부산물 축적을 완전히 방지하기는 어렵습니다. 연속식 배양은 신선한 배양액을 지속적으로 공급하는 동시에 기존 배양액을 배출하여 배양 환경을 일정하게 유지하는 방식입니다. 일반적인 연속식 배양에서는 세포도 배양액과 함께 유출될 수 있으므로 세포 농도가 공급 속도와 세포 성장 속도의 균형에 의해 결정됩니다. 관류식 배양은 연속식 배양의 한 형태로 볼 수 있으며, 세포 유지 장치를 이용해 세포는 배양기 안에 남겨 두고 배양액만 지속적으로 교체한다는 특징이 있습니다.
이론적으로 생산성이 가장 높은 배양 방식은 배양기 부피당 시간당 생산량을 기준으로 하면 관류식 배양이 가장 높은 생산성을 달성할 잠재력이 큽니다. 그 이유는 세포를 배양기 내부에 유지하면서 높은 세포 농도를 확보할 수 있기 때문인데요, 일반적으로 단위 부피당 생산 세포가 많아지면 같은 시간 동안 더 많은 제품을 생산할 수 있습니다. 감사합니다.
고농도 세포 배양 방식이 가능한 것은 유가식 배양(Fed-batch)과 관류식 배양(Perfusion)입니다.
그리고 이론상 생산성이 가장 높은 방식은 관류식 배양입니다.
유가식 배양은 배양 중에 영양분을 지속적으로 공급하되 배양액을 제거하지 않아 세포를 고농도로 증식시키는 방식입니다. 그리고 관류식 배양은 신선한 배지를 계속 공급하고 노폐물을 배출하면서 세포는 반응기 내에 잡아두어 극도의 고농도 세포 배양을 구현한 것입니다.
그래서 이론적으로 관류식 배양이 단위 부피당 생산성이 가장 높습니다.
초고밀도 세포 상태를 오랜 기간 유지하며 목적 물질을 계속 회수할 수 있어 다른 방식에 비해 시간 및 공간 효율성이 압도적으로 뛰어나죠.