학문
바나나를좋아하는원숭이
극정온에서 동결시켰던 세포를 다시 배양할 수 있는 이유는?
안녕하세요. 연구소에서 세포를 배양할 때 액체 질소에서 급속 냉각하여 동결시켰던 세포를 다시 해동해서 이를 계대배양하던데 어떻게 극저온에 보관해두었던 세포가 죽지 않고 다시 살아날 수 있는 것인지 궁금합니다.
5개의 답변이 있어요!
안녕하세요.
말씀해주신 것처럼 세포를 액체질소 같은 -196℃의 극저온에서 동결 보관했다가 다시 해동하여 배양할 수 있는 이유는, 세포를 완전히 죽지 않은 채 대사와 화학 반응 속도가 극도로 낮아져 손상이 거의 진행되지 않도록 만든 뒤, 다시 정상 온도로 돌려 세포 기능을 재개시키기 때문입니다. 이때 중요한 것은 온도와 생화학 반응 속도의 관계인데요, 우선 세포는 살아 있는 동안 끊임없이 ATP 생산, 단백질 합성, 막 수송, DNA 복제, 산화환원 반응 등을 수행합니다. 이때 온도가 급격히 낮아지면 효소 활성과 분자 운동이 크게 감소하며, 특히 극저온에서는 세포 내 대부분의 생화학 반응이 사실상 정지 수준이 되어 노화, 대사 소모, 분해 반응이 거의 멈추기 때문에 장기간 보관이 가능한 것입니다.
하지만 단순히 얼리는 경우에는 물이 얼면서 날카로운 결정이 형성하여 세포막, 소기관막, 핵막 등을 물리적으로 손상시킬 수 있습니다. 또 세포 바깥 물이 먼저 얼면 바깥 용질 농도가 올라가 삼투압 때문에 세포 안의 물이 빠져나가 과도한 탈수와 농축 손상이 생기기 때문에 동결보호제를 사용합니다. 대표적으로 DMSO, 글리세롤 등이 사용되는데요, DMSO는 세포막을 통과해 세포 내외 물 분자와 상호작용하며 얼음 결정 형성을 억제합니다. 또한 냉각 속도 역시 중요한데요, 너무 빨리 얼리면 세포 내부 물이 빠져나올 시간이 없어 내부 얼음 결정이 생길 수 있고, 너무 느리면 과도한 탈수와 용질 독성이 커집니다. 따라서 많은 포유류 세포는 보통 분당 약 1℃ 정도의 제어 냉각 후 -80℃를 거쳐 액체질소로 옮기는 방식이 흔합니다. 냉동 후 세포 배양을 위해 해동하는 과정 역시 중요한데요, 느리게 녹이면 작은 얼음 결정들이 다시 합쳐져 더 큰 결정으로 성장하는 재결정화가 일어나기 때문에 37℃ 수욕 등으로 신속히 녹인 뒤, 즉시 배지로 희석하여 DMSO를 제거합니다. 감사합니다.
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채택된 답변안녕하세요. 이중철 융복합 과학기술전문가입니다.
세포를 극저온에서 보관했다가 다시 살려낼 수 있는 핵심 비결은 동결보존제의 사용과 얼음 결정 형성의 억제에 있습니다. 단순히 얼리는 것이 아니라 세포 내부의 수분이 날카로운 결정으로 변해 세포막을 찢지 않도록 화학적이고 물리적인 처리를 거치는 것이지요.
1. 동결보존제(DMSO, Glycerol)의 역할
세포를 액체 질소에 넣기 전, DMSO와 같은 동결보존제를 반드시 첨가합니다.
이 물질들은 세포막을 투과하여 내부의 물 분자 사이에 끼어듦으로써 물이 단단하고 날카로운 얼음 결정으로 격자 구조를 형성하는 것을 방해하게 됩니다.
덕분에 온도가 내려가도 얼음 결정이 세포를 파괴하지 않고 비정질의 유리 같은 상태인 유리화(Vitrification) 단계로 굳게 되는 것이지요.
2. 삼투압을 이용한 탈수 전략
냉각 과정에서 세포 외부의 물이 먼저 얼기 시작하면 주변의 염 농도가 높아집니다.
이때 삼투압 현상에 의해 세포 내부의 수분이 밖으로 빠져나오며 세포가 적절히 수축하게 되는데요.
내부 수분 함량이 줄어들면 얼음 결정이 생길 확률 자체가 낮아져 세포 손상을 최소화할 수 있는 거랍니다.
3. 대사 활동의 완전 정지
영하 196도(섭씨 마이너스 196도)의 액체 질소 온도에서는 생명체의 모든 화학 반응과 효소 활동이 완전히 멈추는 가사 상태에 돌입하게 됩니다.
시간의 흐름에 따른 유전적 변형이나 단백질 손상이 거의 일어나지 않기 때문에, 수년이 지난 뒤에도 해동만 잘 이루어지면 원래의 생물학적 기능을 회복할 수 있는 것이지요.
4. 급속 해동의 중요성
다시 살려낼 때 가장 중요한 것은 약 37도의 따뜻한 물에서 아주 빠르게 해동하는 것입니다.
얼어있던 수분이 녹으면서 다시 결정화되어 세포를 공격할 틈을 주지 않고 순식간에 액체 상태로 되돌려야 세포 생존율을 극대화할 수 있기 때문이지요.
이러한 정교한 생화학적 공정이 결합되어 극저온에서도 세포의 생명력이 유지되는 거랍니다.
안녕하세요. 김민구 전문가입니다.
일반적으로 얼리면 왜 세포가 죽나요?
보통 물이 얼면 부피가 팽창하면서 얼음 결정이 생겨요. 이 얼음 결정이 세포막과 세포 내 소기관을 물리적으로 찢어버려서 세포가 죽어요. 냉동 세포 보관의 핵심은 바로 이 얼음 결정 형성을 막는 거예요.
어떻게 살아있게 하나요?
가장 중요한 것이 동결보호제(cryoprotectant) 사용이에요. 대표적으로 DMSO(디메틸설폭사이드)나 글리세롤을 세포에 미리 처리해요. 이 물질들이 세포 안으로 들어가서 물 분자 사이에 끼어들어 얼음 결정이 크게 형성되는 걸 방해해요. 쉽게 말해 세포 안을 살짝 부동액 처리하는 느낌이에요.
두 번째로 냉각 속도가 중요해요. 급격히 얼리면 오히려 얼음 결정이 크게 생겨서 위험해요. 보통 분당 1도씩 천천히 온도를 낮추는 완속 냉각을 해요. 이 과정에서 세포 내 수분이 천천히 빠져나오면서 결정 형성을 최소화해요.
액체 질소(-196도)에서는요?
이 온도에서는 세포 내 모든 생화학 반응이 완전히 멈춰요. 대사도, 노화도, 손상도 일어나지 않는 완전 정지 상태가 돼요. 이론적으로는 수십 년을 보관해도 해동하면 살아날 수 있어요. 실제로 40년 이상 보관한 세포를 성공적으로 되살린 사례도 있어요.
해동할 때도 기술이 필요해요
해동은 반대로 빠르게 해야 해요. 37도 수조에서 급속 해동을 하는데, 천천히 녹이면 그 과정에서 오히려 얼음 결정이 다시 생겨 세포가 손상돼요. 해동 후에는 DMSO가 세포에 독성을 줄 수 있어서 빠르게 원심분리로 제거하고 배양액으로 교체해요.
정리하면 동결보호제로 결정 형성을 막고, 완속 냉각으로 수분을 빼내고, 극저온에서 시간을 완전히 멈춰두는 세 가지 원리가 핵심이에요.
감사합니다.
가장 큰 이유는 정밀한 온도 설정과 동결 방지제 덕분입니다.
먼저, DMSO 같은 동결 방지제를 첨가해 세포 내 수분이 날카로운 얼음 결정으로 변해 세포막을 찢는 것을 막습니다. 또 얼릴 때는 세포 내부의 물이 서서히 빠져나갈 수 있도록 분당 1도씩 천천히 온도를 낮춰 세포가 수축하며 안전하게 고체 상태가 되도록 만듭니다.
반대로 해동할 때는 얼음 결정이 다시 커지거나 동결 방지제의 독성이 세포를 해치기 전에 37도에서 1~2분 내로 빠르게 녹이는 것이 가장 중요합니다.
결과적으로 화학적 보호제와 물리적인 동결 및 해동 속도 조절을 통해 세포의 생명 활동을 일시 정지시켰다가 복구시키는 원리입니다.
동결 방지제가 세포 내부의 수분이 날카로운 얼음 결정을 형성하여 세포막을 파괴하는 현상을 억제하기 때문에 세포를 다시 배양할 수 있습니다. 급속 냉각 과정에서 글리세롤이나 디메틸설폭사이드 같은 물질은 물의 어는점을 낮추고 점성을 높여 유리화 상태를 유도함으로써 세포 구조의 손상을 방지합니다. 해동 시에도 적절한 속도로 온도를 높여 유해한 결정을 피하면 세포 내 대사 활동이 다시 활성화되어 증식 가능한 상태로 복구됩니다.