[생명과학] 세포의 연구 방법

 

 

 

눈에 보이지 않는 세포를 연구하는 방법엔 여러 가지가 있다. 

 

1. 현미경

현미경은 눈으로 보기 어려운 작은 물체를 확대하는 장치다. 현미경의 배율과 분해능에 따라 성능이 다르며 굴절률과 빛이 집광되는 각도가 클수록, 파장은 작을수록 사물 관찰에 유리한 현미경이다.

 

(1) 광학 현미경

1) 일반 광학 현미경

광원에서 나오는 빛을 거울로 모은 후 시료에 조사하면 대물렌즈와 접안렌즈를 통과하면서 상이 확대된다. 일반 광학 현미경은 가시광선을 사용하기 때문에 시료를 천연색으로 볼 수 있다. 세포는 투명하기 때문에 소기관을 관찰할 때마다 염색약으로 염색을 해야 한다. 그리고 평면적인 시료만 관찰할 수 있다.

 

2) 위상차 현미경

염색을 하면 세포가 죽기 때문에 염색하지 않고 살아있는 세포의 동적인 과정을 관찰할 때 사용한다. 시료의 굴절률과 밀도 차이 때문에 두 물질의 경계면에서 상쇄 간섭이 발생해 경계가 뚜렷하게 보인다.

 

3) 미분 간섭 현미경

현미경에서는 평면적으로 보였던 시료를 입체적으로 보이도록 간섭 현상을 활용하는 현미경이다.

 

4) 암시야 현미경

암시야 현미경에는 차단고리가 있어 시료에 굴절되지 않은 빛은 대물렌즈에 도달하지 못하게 된다. 그렇기 때문에 배경은 검정색으로 보이고 시료만 밝게 나온다. 염색을 하지 않고 살아있는 세포를 관찰할 수 있다.

 

5) 형광 현미경

필터로 걸러낸 특정 파장의 빛을 조사하면 시료에 붙어있는 형광 물질이 빛을 흡수한 후 방출한다. 방출된 형광을 관찰하는 현미경이다.

 

 

(2) 전자 현미경

1) 투과 전자 현미경(Transmission electron microscope, TEM)

필라멘트에서 방출된 전자선이 집속렌즈, 시료, 대물렌즈, 투영렌즈를 통과하면서 이미지를 형성하게 된다.

투과 전자 현미경을 활용한 관찰법 두 가지가 있다.

 

-음성 염색법: 물체를 얇은 막 위에 올려놓고 중금속으로 막을 코팅한 후 건조시킨다. 이후 전자선이 중금속이 덜 코팅되어있는 시료 부분을 통과하면서 이미지를 만들게 된다.

 

-포매법(Embedding): 시료를 포름알데히드로 고정하고 알코올을 처리해 탈수시킨다. 그리고 유기용매를 처리해 투명하게 만든 후 플라스틱 수지로 시료를 포매 한다. 칼로 얇게 잘라 박편을 제작하고 그 박편을 중금속으로 코팅해 전자선을 쏘면 중금속이 침착된 정도의 차이로 투과가 달라져 이미지가 나타난다.

 

2) 주사 전자 현미경(Scanning electron microscope, SEM)

전자선이 시료의 표면과 부딪치면서 전자가 산란되는데 이를 포획해 이미지를 생성하는 현미경이 바로 주사 전자 현미경이다. 이 때 시료는 고정, 탈수, 건조의 과정을 거친 후 금이나 백금 등으로 코팅한다. 그러면 시료의 표면에 전기 전도성이 생겨난다. 

 

3) 공초점 현미경

시료에 형광 물질을 붙인 후 레이저빔을 쏴서 여러 초점에서의 평면 상을 얻는다. 그리고 컴퓨터로 각 평면 상들을 합쳐 삼차원적으로 재구성하여 이미지를 얻는다.

 

 

2. 형광 유세포 분류기(Fluorescence activated cell sorter, FACS)

형광 유세포 분류기는 형광으로 표지된 항체들을 붙여 여러 세포들이 섞여 있는 샘플에서 특정 세포들을 분류하고 세포 수를 세는 장치다.

예를 들어 혈액 샘플 안에 있는 TH와 TC세포를 형광 유세포 분류기로 분류할 때 아래의 과정을 거친다.

(여기서 CD4는 TH 세포막 표면에 특이적으로 결합하는 단백질이고 CD8은 TC 세포막 표면에 특이적으로 결합하는 단백질이다.)

 

1. 혈액 샘플에 형광으로 표지된 CD4와 CD8에 각각 특이적인 항체들을 처리한다.

2. 혈액 샘플을 가느다란 관에 넣고 세포가 한 개씩 분리되어 관 속을 이동할 때 세포마다 붙어 있는 형광 물질을 레이저로 분석한다. 그러면 각 형광을 가지고 있는 세포 수를 파악해 그래프가 그려진다.

3. 노즐에서 떨어지는 세포들에 강한 전극을 가하면 세포에 붙은 항체에 따라 물방울이 휘게 되는데 휘는 정도에 따라 각각 다른 튜브에 받는다. 그러면 TH와 TC 세포들을 따로 얻을 수 있다.

 

 

3. 원심분리법

용액 속에 밀도의 차이가 있는 물질들이 함께 섞여 있는 상태에서 회전시키면 밀도가 높은 물질은 원심력으로 인해 바닥으로 가라앉고 밀도가 낮은 물질은 위쪽으로 이동하면서 분리가 일어난다. 

 

(1) 분별 원심분리(Differential centrifugation)

원심력에 따라 가라앉는 물질과 위쪽으로 뜨는 물질을 분리한다. 특히 세포 소기관을 분리할 때 자주 사용하는 방법이다.

동물세포를 원심분리하면 핵, 미토콘드리아, 소포체와 골지체, 리보솜 순으로 분리가 되고 식물세포는 세포벽, 핵, 엽록체, 미토콘드리아, 소포체와 골지체, 리보솜 순으로 분리된다.

 

(2) 밀도차 원심분리(Density-gradient centrifugation)

밀도 구배가 형성되어있는 용매에서 원심분리를 함으로써 물질들을 침강 계수나 밀도에 따라 분리하는 방법이다. 염화세슘이나 설탕, 피콜, 퍼콜 등으로 밀도 구배를 형성시킨다.

 

1) 속도침강 원심분리(Rate-zonal centrifugation)

밀도 구배가 형성되어있는 용매의 위에 약간의 혼합물을 올려놓고 원심분리를 수행하면 침강 계수에 따라 물질들이 나누어진다. 적은 양의 샘플만 적용할 수 있다는 특징이 있다.

 

2) 등밀도 원심분리(Isopycnic centrifugation)

용매의 밀도 구배 범위 내에 있는 혼합물을 넣고 원심분리를 수행하면 각 물질들이 같은 밀도의 용매 지점으로 이동하면서 밀도 차에 따라 분리된다.