02 세포의 연구 방법

02 세포의 연구 방법

세포 소기관의 연구 방법

세포의 연구 방법은 현미경의 발달과 함께 발전하였고, 특히 전자 현미경의 성능이 개선되고, 세포 분획법, 조직 배양법, 자기 방사법 등이 발달하면서 세포의 미세 구조와 기능을 밝히게 되었다.

◈ 현미경

(1) 광학 현미경: 1590년 네덜란드의 얀선 부자가 처음 발명하였으며, 가시광선을 이용하여 관찰하려는 시료를 밝게 비춘 후, 대물렌즈로 확대한 상을 접안렌즈로 한 번 더 확대하여 관찰한다.

– 일반 광학 현미경: 가장 흔하게 사용되는 복합 현미경이다. 광원은 가시광선이고 해상력은 0.2 ㎛이다. 시료를 투과한 가시광선을 대물렌즈와 접압렌즈로 확대하여 관찰한다.

– 실체 현미경(해부 현미경): 두 눈으로 살아 있는 생물을 입체적으로 관찰 가능하며, 일반적인 광학 현미경보다 배율이 낮다. 관찰하고자 하는 물체에 빛을 반사해 관찰하므로 상이 반대로 보이지 않는다.

– 위상차 현미경: 물질에 대한 빛의 굴절률 차이가 명암으로 나타나므로 세포를 염색하지 않고 직접 관찰할 때 사용하며 살아 있는 세포를 관찰할 때 유용하다.

– 형광 현미경: 형광 염색액이나 형광 항체로 특정 분자를 표지하여 그 특정 분자의 세포 내 위치를 밝힐 때 이용한다.

(2) 전자 현미경: 1933년 루스카에 의해 발명되었고 가시광선보다 짧은 파장의 전자선을 이용하여 해상력이 좋으며, 광학 현미경으로 볼 수 없었던 세포의 미세 구조를 수백만 배까지 확대하여 관찰할 수 있다.

– 투과 전자 현미경(TEM; Transmission Electron Microscope): 전자선을 굴절시켜 형광판 스크린이나 필름 위에 상이 맺히도록 하며, 세포나 조직의 미세 구조의 단면을 관찰하는 데 주로 이용된다.

– 주사 전자 현미경(SEM; Scanning Electron Microscope): 재료의 표면에 전자선을 쬐어 반사한 전자선을 처리하여 상을 얻으며, 3차원적인 상이 맺혀 세포 또는 조직의 입체 구조를 관찰하는 데 주로 이용된다.

구분	광학 현미경	전자 현미경
		투과 전자 현미경	주사 전자 현미경
원리	대물렌즈에서 확대된 상을 접안렌즈에서 다시 확대하여 상을 관찰함	표본을 얇게 자른 후 전자선을 투사하여 2차원의 상을 얻음	표본을 자르지 않고 전자선을 쏘아 재료의 굴곡에 따라 반사되는 2차 전자를 검출기로 감지하여 3차원의 상을 얻음
이용	단세포 생물의 움직임, 핵, 엽록체 등 관찰	세포의 미세 구조의 단면 관찰	세포의 입체 구조 관찰

▲ 현미경의 종류와 특징

(3) 현미경 보조 기술: 19세기 말부터 발달한 현미경 보조 기술은 세포의 구조 연구에 도움이 된다.

– 염색법: 특정 세포 소기관이나 구성 성분을 염색액으로 염색하여 다른 부분과 명확히 구분하여 선명한 상의 관찰이 가능하다.

구분	식물 세포	동물 세포	미토콘드리아
염색액	아세트산 카민 용액	메틸렌 블루 용액	야누스 그린 B 용액
염색 부위	핵, 염색체	핵, 세포질	미토콘드리아
염색 후 색 변화	적색	청색	녹색

– 고정법: 세포의 상태가 변질되지 않도록 유지하며, 세포가 살아 있을 때와 같은 상태로 관찰할 수 있다.

– 마이크로톰: 현미경으로 관찰할 표본을 일정한 두께의 조각으로 자르는 기계로, 재료를 매우 얇게 자를 수 있어서 현미경 관찰이 쉬워진다.

(4) 배율과 해상력

– 배율: 물체의 상과 그것의 실제 크기의 비율이다.

– 해상력: 가까이 있는 두 점을 구별할 수 있는 능력으로, 두 점이 확실하게 분리되어 보이는 최소 거리로 나타낸다.

구분	광학 현미경	투과 전자 현미경	주사 전자 현미경
최대 배율	1000~1500배	백만 배	수십만 배
해상력	0.2 ㎛	0.0002 ㎛	0.005 ㎛

→ 전자 현미경은 광학 현미경보다 해상력이 뛰어나므로 세포의 미세 구조를 연구하는 데 유용하지만 표본을 제작하는 과정에서 세포가 죽는다는 단점이 있다.

– 세포의 크기와 모양

세포의 크기와 모양은 생물의 종류에 따라 다르며, 한 생물체 내에서도 부위와 기능에 따라 다양하다.

일반적으로 바이러스는 10~100 ㎚, 세균은 약 1~10 ㎛, 대부분의 동식물 세포는 10~100 ㎛이다.

양분을 포함하는 사람의 난자는 지름이 150~200 ㎛ 정도로 적혈구보다 크고, 정보를 받아들이고 전달하는 사람의 신경 세포는 길이가 1 m에 달하는 것도 있다.

산소를 운반하는 사람의 적혈구는 가운데가 오목한 원반 모양이고, 식균 작용을 하는 백혈구는 모양이 일정하지 않다.

실체 현미경: 저배율로 물체를 입체적으로 사실감 있게 관찰할 때 사용하며 현미경 표본 제작 없이 살아 있는 세포나 생명체의 직접 관찰이 가능하다.형광 현미경: 세포 내에 있는 특정 분자를 형광 물질로 염색하거나 형광이 붙어 있는 항체를 이용하여 위치를 확인한다.

◈ 세포 분획법

(1) 세포 분획으로 특정 세포 소기관을 분리하고, 성분 연구를 통해 여러 세포 소기관의 구조와 화학적 조성, 가능 등을 더욱 자세히 알 수 있다.

(2) 원리: 등장액에서 균질기나 분쇄기로 파쇄한 세포를 원심 분리기에 넣고 속도와 시간을 다르게 하여 회전시키면, 여러 세포 소기관이 크기와 밀도에 따라 단계적으로 분리 침전된다.

→ 느린 속도에서는 무거운 세포 소기관이 먼저 침전되며, 속도가 증가하고 원심 분리 시간이 길어질수록 점차 가벼운 세포 소기관이 분리된다.

(3) 분획 되는 순서

– 동물 세포: 핵 → 미토콘드리아 → 소포체 → 리보솜

– 식물 세포: 핵 → 엽록체 → 미토콘드리아 → 소포체 → 리보솜 (식물 세포는 세포 분획하기 전에 세포벽을 제거한다.)

◈ 자기 방사법

(1) 동위 원소 중 자연 상태에서 불안정하고, 붕괴하면서 방사선을 방출하는 성질이 있는 방사성 동원 원소를 이용하여 세포 연구에 활용할 수 있다. 세포 연구에 사용되는 방사성 동위 원소에는 ³H, ¹⁴C, ³²P, ³⁵S 등이 있다.

(2) 원리: 세포 내 물질의 위치와 이동 과정을 연구할 때 세포에 방사성 동위 원소로 표지된 화합물을 넣고 방사선을 추적한다.

(3) 자기 방사법의 활용(생명 과학 연구에 사용된 예)

– 세포 내 단백질의 합성과 이동 경로 파악: ¹⁴C로 표지된 아미노산을 세포에 주입하고 시간 경과에 따라 방사선을 방출하는 세포 소기관을 추적한다.

– DNA 구성 물질인 타이민을 방사성 동위 원소인 ³H로 표지한 후 세포를 관찰한다. → 방사성 동위 원소 ³H가 표지된 타이민이 핵에 집중된다. → DNA 합성 장소가 핵이라는 것을 의미한다.

– 캘빈 회로의 발견(1956년) 탐구: ¹⁴C로 표지된 CO₂를 이용하여 공기 중의 CO₂가 고정되어 생성되는 유기물의 종류와 순서를 밝힌 실험이다.

– 허시와 체이스의 실험: 박테리오파지의 단백질과 DNA 각각을 방사성 동위 원소 ³⁵S와 ³²P으로 표지하여, 대장균이 감염되었을 때 대장균 내로 들어가는 것이 바이러스의 단백질인지 DNA인지를 알아내어 유전 물질이 DNA라는 것을 밝힌 실험이다.

– 동위 원소를 이용한 물질의 연대 측정: 유럽에서 수만 년 전에 살다가 멸종한 네안데르탈인의 화석을 연구하던 과학자들은 네안데르탈인(Homo neanderthalensis)의 확석이 대기에 존재하는 ¹⁴C의 약 0.0078 비율로 ¹⁴C를 가지고 있다는 것을 알게 되었다. ¹⁴C의 반감기가 5730년이라는 점을 고려하면 네안데르탈인은 약 40000년 전에 별종했다는 것을 알 수 있다. 과학자들은 현생 인류인 호모 사피엔스(Homo sapiens)가 대략 39000 ~ 42000년 전에 마지막 네안데르탈인이 살았던 동일한 지역에 나타났다는 증거를 제시하고 있다. 이것은 네안데르탈인과 현생 인류의 공존 및 자손을 낳았을 가능성을 타나내고 있다. 스웨덴의 유전학자 스반테 파보는 2006년 네안데르탈인의 유전자 지놈의 복구 프로젝트를 발표하였으며, 그의 연구에 따르면 현생 인류는 네안데르탈인의 DNA 일부를 가지고 있다.

자기 방사법의 의학적 활용

최근 질병 진단 또는 연구 등에 자기 방사법이 매우 유용하게 사용되고 있다. 세포들은 방사성 동위 원소를 일반 원소와 마찬가지로 사용하므로 영상 처리 장치를 이용하면 방사성 동위 원소를 이용하여 생명체 내에서 물질들의 이동 경로를 추적할 수 있다. 그림은 우리 몸에서 화학적 활성이 높은 부위에 방사선량이 증가한 상태를 나타내며, 이를 통해 대사 활성이 높은 암세포를 판별할 수 있다. – 자기 방사법을 이용한 암의 진단

참고자료: 지학사 생명과학2 교과서, EBS 수능특강 생명과학2