지스트(광주과학기술원) 신소재공학부 이은지 교수 연구팀은 세포를 냉동·해동할 때 발생하는 결빙 현상을 효과적으로 제어할 수 있는 결빙방지 단백질 유래 펩타이드가 결합된 나노 크기의 금속유기골격체 입자를 개발했다고 20일 발표했다. 기존 동결보존제보다 우수한 세포 복원력을 가진 보존제 합성 원천기술을 확보했다.
기존 화학 동결보존제인 다이메틸설폭사이드(DMSO) 대비 2200분의 1이라는 매우 적은 양을 사용했을 때, 이에 상응하는 세포 회수율(평균 70%)과 세포 증식 효능(48시간 내 4배)을 보였다. 우수한 생체적 합성으로 희귀세포 보관이나 장기 이식 등에 활용될 수 있을 것으로 기대하고 있다.
세포 동결 시 얼음 결정에 의한 세포 손상을 최소화하기 위해 보존액을 사용해 보관한다. 최근에는 개인 맞춤형 의료 기술에 대한 관심이 높아지면서 줄기세포, 제대혈, 생식세포, 세포치료제는 물론 세포의 집합체인 장기 등 고부가가치 생체시료 동결보존기술에 대한 관심이 커지고 있다.
연구팀은 얼음과 물 계면의 불안정성 원리와 얼음 표면의 화학결합 자리에 주목했다.
얼음 결정 격자와 같은 골격체 격자 크기를 가지고 있으며 우수한 생체적합성을 가지는 지르코늄 금속유기골격체 나노입자를 합성했다. 결빙방지 단백질 유래 펩타이드를 나노입자 표면에 화학반응을 통해 결합시켜 세 종류(10, 30, 250nm)의 나노 입자를 제조했다.
연구팀이 개발한 나노입자를 물에 첨가한 후 냉동·해동 시에 얼음의 재결정 현상을 관찰한 결과, 나노입자 표면에 규칙적으로 배열된 결빙방지 단백질 유래 펩타이드는 얼음 표면과 견고한 화학결합을 유도해 물의 진입을 효과적으로 막았다. 또 작은 크기의 나노입자는 얼음과 물 계면의 미세곡률을 증대시켜 어는 점을 낮추고 얼음 성장을 효과적으로 억제함을 확인했다.
냉동에 의해 형성된 작은 얼음 결정이 해동 시에 더 큰 얼음 결정으로 성장하는 것을 얼음 재결정화라고 하는데, 연구팀이 개발한 나노입자는 얼음 표면에 효적으로 결합해 우수한 결빙제어 효과를 보였다.
동결 시에는 세포를 효과적으로 보존하고 해동할 땐 건강하게 복원했다.
나노입자는 기존 동결 보존제와 비교해보면 높은 농도에서도 우수한 생체적합성을 보였다. 극미량을 사용했음에도 불구하고 신장세포, 암세포, 줄기세포 등 다양한 세포주에 적용했을 때 기존 동결보존제와 상응하거나 높은 세포 회수율, 회수된 세포의 증식 효능을 확인할 수 있었다.
이은지 교수는 "기존 보존제의 치명적인 단점을 극복하고 높은 농도에서도 독성이 거의 없으며 극소량을 사용해도 기존에 상응하는 결과를 기대할 수 있어 희귀세포 보관, 장기 이식 등 관련 생물의학 분야에 큰 파급효과를 가져올 것으로 기대한다"고 말했다.
연구 성과는 미국 화학회(ACS)가 발행하는 국제학술지 ‘미국화학회 골드지(JACS Au)’ 표지논문으로 지난달 23일 온라인 게재됐다.
