고려대, 동결 세포 기능이 90% 이상 원상복구 되는 이온-복합 고분자 소재 개발 

△ 정교하게 제어된 3차원 구조의 생체 적합 고분자를 사용해 생물학 매체에 포함된 이온과 복합체를 형성하여 효과적인 얼음 억제 효과가 나타남 

국내 연구진이 냉동식품과 세포성 바이오 의약품 제작에서 핵심이 되는 동결 세포 기능을 90% 이상 회복시키는 이온 복합-고분자 소재를 개발하는 데 성공했다. 

고려대학교(총장 김동원) 화공생명공학과 안동준 교수와 연세대학교(총장 윤동섭) 화학과 김병수 교수 공동 연구진이 진행한 이 연구는 복합 자연 과학 분야의 국제적인 학술지인 ‘Advanced Materials’(IF: 27.4)에 2024년 12월 26일(목) 온라인 게재됐다. 

*논문명: Na+-Complexed Dendritic Polyglycerols for Recovery of Frozen Cells and 

*DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202416304

생체 시료는 냉‧해동 과정을 거치며 얼음 형성과 변이로 심한 손상이 가해진다. 현재 이런 손상이 최소화되도록 동결보존제를 개발하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 다만, 지금까지의 연구는 얼음 표면과 수소결합을 이용한 방법에만 그쳐왔다. 사실상 높은 염 농도를 함유한 생물학 시료에서 수소결합 방법은 그 효과가 제한된다. 따라서 생물학 시료에는 독성이 포함된 화학 용매 다이메틸 설폭사이드(Dimethyl sulfoxide 이하 DMSO)를 사용하고 있다. 

*다이메틸 설폭사이드: 황을 포함하는 유기화합물이며 무색의 액체, 물 또는 여러 용매와 잘 섞이는 성질이 있다. 

공동 연구진은 최초로 생물학 시료에 보편적인 염 이온인 Na 이온을 사용했다. 공동 연구진은 생체 적합 고분자의 3차원 구조(수지형, Dendrimer)를 정교하게 제어하고, Na 이온과 복합체를 형성해 새로운 이온 복합-고분자 소재를 개발했다. 이 소재는 Na 이온의 탈착과 동시에 얼음 계면의 수소결합을 촉진하여 세포 내‧외부의 얼음 성장을 억제한다. 

*염: 산의 음이온과 염기의 양이온이 정전기적 인력으로 결합한 이온성 화합물

*Na 이온: 나트륨 이온

연구 결과, 기존 DMSO 대비 약 150%에 가까운 세포 생존율을 얻었으며, 세포 간 네트워크 형성 기능 역시 해동 후에도 90% 수준으로 유지되는 높은 동결보호 효과를 달성했다. 아울러, 개발된 고분자 소재는 해동 후에 세포에서 자발적으로 제거되는 특성이 있어 활용성이 매우 높다. 해당 연구는 통상적으로 염이 포함된 용액에서 세포를 동결저장하고 있는 바이오 의약품, 냉동식품 산업에 새로운 방법론을 제시하고, 배터리 등 에너지 산업 분야에서도 결빙 방지 기술 등 다방면에 활용될 것으로 기대된다. 

본 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업, 중소기업기술정보진흥원과 한국보건산업진흥원의 지원을 받아 수행됐다. 

[그림 1] 

[그림 1] 설명: (왼쪽부터) 고려대 화공생명공학과 안동준 교수(교신저자), 연세대 화학과 김병수 교수(교신저자), 고려대 원태경 박사과정(공동 제1저자), 연세대 신아람 박사과정(공동 제1저자), 고려대 이상엽 박사(공동 제1저자)

[그림 2] 

[그림 2] 설명: 동결저장한 세포 내 얼음성장 억제능과 해동후 세포 생존율 향상(좌), 해동후 세포 네트워크 형성 기능 복원 실험(우)

[그림 3] 

[그림 3] 설명: 이온복합-고분자에 의한 얼음성장 제어 메카니즘의 개념(좌)과 생물학 매체(완충액)에서 얼음 억제 활성화 관측 실험(우)