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생물학적 동결의 기적: 일부 생물은 왜 영하 196°C에서도 생존할 수 있나요?
과학계에서 냉동 기술은 언제나 생명의 지속을 탐구하는 중요한 방향이었습니다. 생물동결 또는 냉동보존은 세포, 조직 또는 장기를 동결하여 유통기한을 연장하는 것을 목표로 합니다. 이 기술을 사용하면 생물학적 물질을 손상시킬 수 있는 모든 세포 대사를 저온(일반적으로 액체 질소를 사용하여 -80°C 또는 -196°C)에서 효과적으로 중단할 수 있습니다.
이 기술은 생체시료를 보존하는 데 중요한 역할을 할 뿐만 아니라 생체시료를 장거리로 운반하는 데에도 큰 역할을 합니다. 동결 중에 세포가 겪는 삼투압 충격과 물리적 스트레스에 대해 연구자들은 종종 이러한 위험을 줄이기 위해 동결 보호제(CPA)라는 특수 분자를 추가합니다. 이 냉동 보호제는 주로 나무, 청개구리, 완보동물과 같은 내한성을 지닌 자연의 생물에서 영감을 받았습니다.
"완보동물과 같은 미생물은 내부 수분의 대부분을 설탕으로 대체하여 동결에 저항합니다. 이는 결정화가 발생하는 것을 방지하여 세포막에 손상을 줄 수 있습니다."
자연 냉동보존 예시
자연에는 많은 유기체가 놀라운 내한성을 갖고 있습니다. 예를 들어, 나무개구리는 겨울을 준비하기 위해 혈액과 다른 조직에 요소를 축적할 수 있습니다. 간에 있는 글리코겐은 내부 얼음 결정이 형성될 때 대량으로 포도당으로 전환됩니다. 이들 물질은 모두 동결 방지제 역할을 하여 얼음 형성을 제한하고 세포의 삼투압 수축을 감소시킵니다. 연구에 따르면 개구리는 체액의 65%가 얼지 않는 한 겨울에 여러 번 얼고 녹는 현상을 경험할 수 있습니다.
냉동보존의 역사
냉동 보존의 초기 이론은 제임스 러브록(James Lovelock)이 1953년에 냉동 중 적혈구 손상이 주로 삼투압에 의한 것이라고 제안했습니다. 그는 일련의 실험을 수행하여 특정 동물(예: 햄스터)이 서냉 상태에서 물이 어는 정도를 60% 견딜 수 있음을 확인했습니다.
동결기술의 발달로 인체유래의 냉동보존이 1954년부터 응용단계에 들어섰고, 이어 1966년에는 최초로 인체유골의 냉동보존이 이루어졌다. 1967년 제임스 베드포드(James Bedford)의 시신은 미래 부활의 희망을 담아 냉동보존된 역사상 최초의 시신이 되었습니다.
냉동보존 중 위험
냉동보존 중에 세포는 용액 효과, 세포외 얼음 결정 형성, 탈수, 세포내 얼음 결정 형성 등 여러 가지 손상 위험에 직면할 수 있습니다. 이러한 효과는 동결 방지제에 의해 감소될 수 있지만, 동결 시 추가 손상에 대한 보존된 물질의 보호 효과가 향상됩니다.
"세포가 얼 때 냉각 속도가 충분히 느리면 치명적인 내부 얼음 결정이 형성되는 것을 방지할 수 있을 만큼 물이 세포 밖으로 나갈 수 있습니다."
동결보존 위험성의 주요 예방방법
동결 피해를 방지하는 주요 기술에는 냉각 속도 제어, 느린 동결, 그리고 유리화라는 새로운 기술이 포함됩니다. 천천히 프로그래밍 가능한 냉동 기술은 인간, 동물 및 세포 생물학을 포함한 분야에서 널리 사용되었습니다.
유리화 과정은 시료를 빠르게 냉각시키고 얼음 결정이 형성되는 것을 방지하여 냉동 과정에서 발생할 수 있는 손상을 줄입니다. 이 기술은 1980년대 중반부터 생식 냉동 보존을 위해 도입되었으며 현재까지 다양한 임상 실습에 성공적으로 사용되었습니다.
생명공학에 있어서 냉동보존의 중요성
과학기술의 발달로 냉동보존의 적용은 생물학적 시료의 보존에만 국한되지 않고, 유전자 치료, 줄기세포 연구 등의 분야로 확대될 것입니다. 냉동 보존 기술은 미래의 생물학적 연구 및 임상 적용에 대한 광범위한 전망을 열어줍니다.
실존적 위협에 직면한 많은 사람이나 생물에게 이 기술의 발전은 미래에 새로운 삶의 가능성을 발견할 수 있다는 것을 의미하지 않습니까?
