동결저장 세포의 생존과 기능을 효과적으로 회복하는 이온복합-고분자 동결보호소재 개발 - 국제 저명학술지 Advanced Materials에 논문 게재
▲ 안동준 교수(교신저자), 김병수 교수(교신저자), 원태경 박사과정(공동 제1저자), 신아람 박사과정(공동 제1저자), 이상엽 박사(공동 제1저자)
고려대학교 (총장 김동원) 화공생명공학과 및 KU-KIST 융합대학원 안동준 교수 연구팀과 연세대학교(총장 윤동섭) 화학과 김병기 교수 연구팀이 공동으로 생물학매체(또는 완충액) 내 이온과의 복합체를 형성하여 동결된 세포들의 생존을 효과적으로 회복하고 그 기능을 유지하는 생체적합 고분자 소재를 개발하는데 성공했다. 통상적으로 생물학 매체 내에서 효과가 미약한 고분자 등 소재들의 효능을 획기적으로 극복한 연구이며, 동결 방지 기술 및 극저온 소재 과학 분야에서 혁신적인 발전 가능성을 제시한다. 이 연구 결과는 복합자연과학분야의 세계적 권위 학술지인 Advanced Materials(IF: 27.4)에 2024년 12월 26일자 온라인 게재되었다. *논문명 : Na+-Complexed Dendritic Polyglycerols for Recovery of Frozen Cells and Their Network in Media *논문 doi: https://doi.org/10.1002/adma.202416304 *저자 정보 : 안동준 교수(교신저자), 김병수 교수(교신저자), 원태경 박사과정(공동 제1저자), 신아람 박사과정(공동 제1저자), 이상엽 박사(공동 제1저자)
냉해동 과정에서 얼음의 형성과 그 변이에 의해 생체시료의 손상이 매우 크므로, 이를 최소화할 수 있는 동결보존제를 개발하고자 하는 연구들이 활발히 진행되고 있다. 지금까지 선행연구들은 소재들과 얼음 계면과의 강한 수소결함을 통해 동결제어를 시도하여 왔으나, 높은 염 농도를 함유한 생물학 매체에서는 그 효과가 현저히 감소한다. 따라서, 현실적으로 독성이 있는 화학용매(예로 다이메틸설폭사이드, DMSO)를 세포가 담긴 매체에 고농도로 추가하여 사용하는 것이 보편적이다.
이번 연구는 매체내 보편적인 염이온인 Na 이온을 이용한 최초의 사례로, 생체적합 고분자의 3차원 구조(수지형, Dendrimer)를 정교하게 제어하여 Na 이온과의 복합체 형성에 성공함으로써 세포내부 및 외부 영역에서 모두 얼음성장 억제 성능을 구현하였다.
[그림 설명] 정교하게 제어된 3차원 구조의 생체적합 고분자를 사용해 생물학 매체에 포함된 이온과 복합체를 형성하여 효과적인 얼음 억제 효과를 보임. 이온복합체를 형성한 동결보호소재가 세포 내외부에서 얼음 성장을 억제하는 소재 설계 방법을 최초로 제안함.
Na 이온 복합체를 형성한 고분자 소재는 얼음 표면에 쉽게 접근할 수 있으며 Na 이온이 탈착되며 동시에 소재와 얼음 계면의 수소결합을 촉진한다. 기존의 DMSO 대비 약 150%에 가까운 세포 생존율을 었으며, 세포간 네트워크 형성 기능도 해동 후에도 90% 수준으로 유지되는 놀라운 동결보호 효과를 달성하였다. 또한, 세포에 침투했던 고분자는 해동 후 세포 외부로 배출되는 특성도 확인하였다.
[그림 설명] 동결저장한 세포내 얼음성장 억제기능과 해동후 세포 생존율 향상(좌), 해동후 세포 네트워크 형성 기능 복원 실험(우)
통상적으로 염이 포함된 용액에서 세포를 동결저장하고 있는 다양한 바이오 의약품 산업, 냉동식품 산업에 광범위하게 적용될 뿐 아니라, 결빙방지가 긴요한 에너지 산업 분야에서도 이번 연구가 새로운 응용을 열어갈 것으로 기대된다. 이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업, 중소기업기술정보진흥원과 한국보건산업진흥원의 지원을 받아 수행되었다.
[메카니즘 개념 설명] 이온복합-고분자에 의한 얼음성장 제어 메카니즘의 개념(좌)과 생물학매체(완충액)에서 얼음 억제 활성화 관측 실험(우)
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