글로벌 세계 대백과사전/생물II·식물·관찰/생명과 물질/세포의 발견/세포 연구

생명 현상의 단위로서의 세포는 세포학 분야에서만이 아니라 생화학·분자 생물학·유전학·생리학 등의 분야에서도 연구 대상이 되고 있다. 세포학은 원래 형태학의 한 분야로서 발전하여 그 연구 내용은 형태나 구조가 중심이었다.

그런데 오늘날의 세포 연구는 세포학에 인접한 관련 분야와의 경계 영역에 관심을 갖게 되어 이 영역에 생명 현상을 푸는 열쇠가 숨겨져 있다고 인식하기 시작하였다. 바꾸어 말하면 종래의 세포학과 거기에 인접하는 경계 영역을 포함한 연구 분야가 하나의 체계적인 학문으로 자리잡기 시작한 것이다. 이 새로운 생물학의 한 분야를 세포 생물학이라 부르는데, 세포 생물학은 생물이 갖는 구조와 기능이라는 두 가지 요소를 관련시켜 생명 현상을 통일적으로 파악하려는 입장이다.

이 같은 세포학의 변천은 세포 연구의 방법이나 기술의 발달과 그것들에 의한 연구 성과기 축적된 결과이다. 그런 의미에서도 연구 목적에 부합된 여러 가지 특수 현미경이 개발된 의의는 매우 크다. 현미경의 발달과 함께 조직이나 세포의 고정법이나 염색법도 개발되었다. 고정이란 물리적 또는 화학적 방법으로 생체 구성분을 불용성(不溶性)으로 하여 살아 있을 때와 가까운 상태를 유지시키기 위한 처리법이다. 이때 인공 산물(자연 상태의 세포내에는 존재하지 않는 물질로, 프레파라트를 만드는 일련의 조작을 하는 사이에 생기는 물질)을 최소한 적게, 자연에 가까운 상태로, 목적하는 물질이 발견되기 쉬운 방법을 취해야 할 것이다. 화학 고정의 대부분은 화학 약품에 의해 생체를 구성하는 단백질을 불용성으로 한다. 고정 제제로는 여러 종류가 있으며, 목적에 따라 사용이 구분된다.

화학 고정법은 인공 산물의 생성이나 효소의 불용성화를 야기하는 경우가 있기 때문에 이것을 막기 위해 동결 건조법이라는 물리적 고정법이 많이 쓰이고 있다. 이 방법은 생물 조직을 액체 질소(－160-－190℃)에 적셔 순간적으로 동결시켜 그 후 저온(－30-－60℃)에서 진공 건조시킨다.

염색법이란 세포내의 구조를 잘 보기 위해 여러 가지 색소로 시료를 특이하게 염색하는 것이다. 여기에는 살아 있는 세포를 염색하는 생체 염색법과 고정한 시료를 염색하는 일반 염색법이 있다. 생체 염색법에서는 세포에 독성이 적은 색소가 이용된다. 뉴트랄레드는 생세포만 염색하고, 트리판블루나 니그로신은 죽은 세포만을 염색하는 것으로, 세포의 생사 판별에도 이용된다. 또한 야누스그린은 미토콘드리아, 메틸렌블루는 신경 섬유, 수단 3은 지방의 생체 염색에 각각 쓰인다.

이 두 가지 염색법은 세포의 일부 또는 세포 기관을 염색하는 것인데, 이와는 약간 다른 방법으로 세포 화학적 염색법 또는 조직 화학적 염색법이 있다. 이들은 세포를 구성하는 화학 성분을 직접적 또는 간접적으로 염색하고, 그것들의 정성(定性)·정량·분포 상태를 아는 방법이며, 세포의 구조와 기능과의 관련을 연구하는 중요한 수단으로서 최근에 특히 발달을 거듭하고 있다. 단백질 염색에는 미론 반응이나 디아조늄 반응, 당류는 과요드산 시프 반응, 지질에는 산성 헤마틴법, 콜레스테롤 염색법, 핵산에는 메틸그린·필로닌 염색법, 포이루겐 반응 등 여러 가지 방법이 고안되어 세포내의 화학 성분을 검출할 수 있다.

세포내의 효소를 조사하려면 조직 또는 세포를 검출하고자 하는 효소의 기질을 함유한 용액에 담가 효소 작용에 의해 생긴 반응성 생성물을 불용성의 유색 침전물로서 현미경으로 관찰한다. 이렇게 하여 호스파타아제·에스테라아제·산화 효소·탈수소 효소 등에 속하는 많은 효소가 세포 화학적으로 검출된다.

지금까지 설명한 여러 가지 세포 연구법은 모두 세포를 파괴하지 않고 세포내의 구조나 기능을 관찰하는 것이었다. 그러나 이들 방법에는 한계가 있다. 최근 생화학·분자 생물학·생물 물리학 등의 분야에서 세포를 연구 대상으로 함에 따라 세포 연구에는 새로운 방법이 도입되었다.

세포를 파괴하여 세포 기관이나 여러 가지 물질을 원심력을 이용하여 분리하는 방법을 원심 분획법이라고 하는데, 이 방법은 벤슬레와 호엘에 의해 고안되었다(1934년). 먼저 생물 시료를 적당한 매질에 넣어 호모지나이저라는 기계로 세포를 부순다. 이 파쇄액을 원심 분리기에 넣어 원심력을 작동시키면 무거운 것부터 차례로 침전한다. 아주 작은 화합물 등을 침전시키려면 그만큼 큰 원심력을 필요로 하기 때문에 1분간 8만 회전이라는 초원심 분리기도 제작되고 있다.

클로드는 이 고속 원심 분획법을 세포 연구에 도입하고, 호지붐은 파쇄하는 세포와 침투압이 같은 쇼당액을 매질로 사용하는 방법을 고안했다. 이리하여 오늘날의 원심 분획법의 기초가 만들어졌다. 최근에는 핵·미토콘드리아·색소체·소포체·리보솜 등 세포 기관을 비롯하여 여러 가지 세포 구성분을 거의 순수하게 분리할 수 있게 되었다.

오트라지오그래피는 시료 속의 방사성 물질의 분포를 거기에서 나오는 방사선의 감광 작용에 의해 시료에 밀착시킨 감광 유제(乳劑)에 기록시키는 방법이다.

전자 현미경적 오트라지오그래피는 다음과 같은 방법으로 한다. 먼저 깨끗한 유리판 위에 약 10μm 두께의 젤라틴막을 만들고 그 위에 약 5μm 두께의 취화(臭化) 은막이 부착된 것을 쓴다. 암실에서 유리판의 필름을 떼어내고 감광제 표면을 밑으로 하여 따뜻한 물속에 띄우고 슬라이드글라스 위에 부착시킨 조직 조각이나 세포를 그 밑에 담가 끌어올린다. 이것을 건조시켜 냉암 상자 속에서 몇 주일 동안 노출시킨 다음 현상 후 감광 입자와 흑화도를 측정하면 그 물질의 분포와 양을 알 수 있다.

조직 배양법은 살아있는 세포를 일정 조건하에서 관찰하는 데 가장 좋은 연구 방법이다. 다세포 생물의 개체에서 무균적으로 조직편(片) 또는 조직군(群)을 빼내어 조직편 그대로거나 트립신으로 처리하여 유리 세포로 한 다음 배양한다. 이 방법은 해리슨에 의해 고안되어(1909년), 그 후 카렐이 개량을 거듭하여 오늘날의 조직 배양법의 기초를 세웠다. 요즘에는 완충액으로 일정량의 아미노산이나 타민류를 넣어 합성 배양액을 만들어 거기에 송아지 혈청 등을 첨가한 것이 쓰인다.

이 조직 배양법에 의해 단일 세포의 분열로 생긴 세포 집단만을 분리하여 단순한 단일 세포계를 만들 수 있다. 이것을 이용하여 이종 세포를 융합시켜 세포의 유전학적 해석도 가능해졌다.

식물의 조직 배양은 동물에 비해 아주 뒤늦게 발달했다. 그 방법은 화이트의 공로가 크다. 그는 배양액으로 완충액에 각종 아미노산·비타민·성장 호르몬·코코야자의 배젖 등을 첨가한 것을 사용하여 세포의 인공 증식에 성공했다. 당근 뿌리의 형성층을 배양해서 만든 칼스(유상 조직)의 어떤 세포에서 각 기관을 갖춘 당근을 만든 것은 유명하다. 오늘날에는 여러 가지 식물의 조직이 인공 배양되어 연구 재료로 많이 쓰이고 있다.

전자 현미경이 세포 연구에 도입되어 지금까지 세포 구조의 연구는 크게 달라졌다. 최근의 전자 현미경은 0.1-0.5nm의 분해기능을 갖고 배율을 50만 배까지 하는 것도 가능해졌다. 따라서 전자 현미경으로 보는 구조는 생리·생화학적 변화를 일으키는 장소로서의 구조이며, 또한 그들 작용의 결과로 생기는 구조이다. 지금까지 이질적인 것이라고 생각해오던 형태학과 생리·생화학이 융합되어 세포 연구에 있어 불가결한 분야가 되었다.