세포에 대한 연구는 현미경의 발달과 함께 발전해왔다. 성능좋은 현미경을 통해 밝혀진 미시세계는 생명과학 발전에 지대한 공헌을 미치게 되었다.
세포는 육안으로 관찰이 불가능하므로 자세한 구조를 조사할 때는 현미경을 이용하거나 그 밖의 방법을 이용한다.
현미경을 사용해서 처음으로 세포를 관찰한 사람은 영국의 후크이다. 그는 간단한 현미경을 만든 후, 코르크조직을 관찰하여 그 조직이 벌집과 같은 작은 방으로 이루어졌음을 발견하고, 이를 세포라고 명명했다. 이때 사용된 현미경의 배율은 약 2백70배였다.
광학 현미경은 렌즈로 광선을 굴절시켜 물체를 확대시키기 때문에 해상 능력(가장 가까운 두 점을 구별할 수 있는 능력으로, 확대 능력과는 다르다)은 0.2㎛(1㎛＝${10}^{-6}$m)에 지나지 않고 2천배이상 확대하는 것은 불가능하다. 그래서 세포의 미세 구조는 전자 현미경의 발달과 함께 자세히 밝혀지게 되었다.
최초의 전자 현미경 배율은 고작 12배
광학 현미경은 가시광선을 이용하는 것이므로 빛의 파장 이하 크기의 물체는 볼 수 없다. 따라서, 빛 대신 파장이 훨씬 짧은 전자의 파동을 이용하면 현미경의 분해능을 비약적으로 발전시킬 수 있을 것이라는 착안이 이루어졌다. 이에 따라 전자 현미경이 발명되어 물체를 수십만 배까지 확대시켜 관찰할 수 있게 되었다.
최초로 전자 현미경을 만든 사람은 루스카(Ruska, E.)로 1934년에 처음 만들었다. 그 당시의 전자 현미경은 12배 정도의 배율밖에는 낼 수 없었다.
이 현미경은 광원에서 나오는 백색광 대신에 전자파를 이용한다. 전자 현미경을 통해서 물체를 직접 볼 수는 없지만 대신에 TV 스크린과 같이 전자파를 투과해서 스크린에 나타나게 할 수 있다. 전자현미경은 세포를 약 30만배 정도 확대시킬 수 있다. 이것은 우리 손의 길이가 40㎞ 정도로 확대되어 보이는 것과 같다.
이러한 배율이면 세포 내에 있는 아무리 작은 물체라도 상상을 초월할 만큼 상세하게 밝혀낼 수 있다. 최근에는 주사 전자 현미경이 개발되었는데 물체의 상이 3차원 입체로 보이게 된다.
1950년부터 크게 발달하기 시작한 전자 현미경은 그때까지 알려지지 않았던 세포의 미세 구조를 속속 밝혀내어 생명과학의 발전에 지대한 공헌을 하게 되었다.
전자 현미경의 가장 큰 특징은 전자의 파장이 짧아 해상 능력이 0.2㎚(1㎚＝${10}^{-9}$m)이며, 물체를 수십만배까지 확대하여 볼 수 있다는 것이다.
전자 현미경은 광학 현미경에서의 가시광선 대신에 더욱 파장이 짧은 전자선을 이용하여 한층 물체를 작게 분해하여 보는 현미경이다. 전자선은 유리를 통과할 수 없으므로 전자석의 전자 렌즈를 사용한다. 전자 현미경에는 투시정 전자 현미경(TEM : Transmission Electron Microscope)과 주사형 전자 현미경(SEM : Scanning Electron Microscope), 그리고 주사투과형 전자 현미경(STEM)이 있다.
투사 전자 현미경은 광학 현미경과 기본 원리는 같으나 광선 대신 전자의 흐름을, 또 렌즈 대신 전자장으로 전자를 굴절시키는 점이 다르다.
전자 현미경 연구를 위해서는 전자광이 투과할 수 있도록 시료를 초박절편으로 만드는 과정이 전제 조건이 된다. 일반적인 광학 현미경과 투사 전자 현미경은 빛이나 전자가 투과할 수 있도록 재료를 얇게 잘라야 하므로 물체의 입체적 형상을 관찰하기가 곤란하다. 이러한 결점을 보충하는 방법으로 주사 전자 현미경을 사용한다.
주사전자 현미경(SEM)에서는 전자 광선이 금속 입자로 덮인 건조된 시료를 지나면서 제2차 전자가 생기도록 하며, 제 2차 전자는 텔레비전 화면에서 촬영이 가능한 표면상으로 나타나게 된다. 주사 전자 현미경은 해상 능력은 떨어지지만 재료의 형태와 입체적 구조를 파악할 수 있다는 이점이 있다.
세포의 모양과 크기
세포의 모양은 생물의 종류, 생물체의 부위에 따라 각각 다르다. 사람의 경우 적혈구는 원반 모양, 창자의 상피 세포는 원주형, 백혈구는 부정형이고, 정자는 머리 중편 꼬리로 된 독특한 모양을 하고 있다.
세포의 크기도 세포의 종류에 따라 가지가지다. 세균 중 어떤 것은 길이가 1㎛ 밖에 되지 않지만 타조의 난세포는 지름이 70㎜에 달하고, 사람의 좌골 신경섬유는 그 길이가 1m나 된다.
현미경의 발달과 함께 재료의 염색 방법과 관찰 방법도 급속히 발전하고 있다. 세포 각 부분의 구조와 화학적 조성을 분석할 수 있으며, 특히 방사성 물질을 사용하여 세포 내에서 물질이 합성되는 장소와 합성된 물질의 이동을 정확히 추적할 수 있게 되었다. 이들 방법을 간단히 살펴보기로 하자.
원심 분리에 의한 세포의 분리
현미경 관찰에서는 세포의 구조를 되도록 원상태로 유지하는 일이 중요하지만, 한편으로는 세포 소기관을 분리하여 각 소기관의 기능을 조사하는 일도 필요하다.
세포 각 부분의 구조와 화학적 조성을 분석하는 데에는 세포 분획법이 널리 이용되고 있다. 이 방법은 먼저 세포를 등장(等張 : 두 용액의 삼투압이 서로 같음)의 설탕용액에서 부순 후 세포의 내용물을 원심 분리기에 넣어 회전 속도를 차츰 증가시키면서 내용물을 분리하는 것이다.
회전 속도에 따라 무거운 구조물이 먼저 가라앉고 가벼운 구조물은 위에 뜨게 된다. 이 과정을 여러번 반복하여 분리된 내용물을 여러가지 방법을 통하여 분석한다.
세포를 잘 분쇄하여 원심 분리시키면 맨 먼저 핵이 관의 밑바닥에 가라앉는다. 다시 상등액을 더 세게 원심 분리하면 미토콘드리아 같은 세포 소기관이, 또 원심 분리시키면 유리리보솜과 시토솔(cytosol : 세포소기관을 담고 있는 유동액이며 기질이라고 부른다)의 가용성 분자 등이 뜬다.
1,500×g(g : 중력 가속도를 나타내는 것으로 9.8m／${s}^{2}$·1,500×g란 물체가 회전할 때 받는 힘이 중력의 1천 5백배임을 의미한다) 정도의 힘으로 10분간 세포분획물을 원심 분리시키면 침전층을 이루면서 관의 밑바닥에 핵이 가라앉는다.
더욱 센 힘으로 오랜 시간 원심 분리하면 더 작고 더 가벼운 세포 소기관이 침전된다. 이렇게 하여 얻은 세포 소기관은 따로 분리해서 화학적인 방법과 현미경으로 연구할 수 있다. 105,000×g에서 1시간 원심 분리한 후 침전시키면 거의 동일한 크기의 세포 소기관을 얻을 수 있다.
자가방사법(Autoradiography)
세포를 현미경으로 관찰할 때 흔히 단시간 동안은 그 구조가 고정되어 있는 것처럼 보인다. 그러나 겉보기에는 변화가 없는 듯해도 세포 내 구성 성분 일부는 항상 새로운 것으로 교체되고 있다. 이와 같은 세포 내부에서의 물질의 변화를 알기 위해서는 그 물질에 꼬리표를 달아 놓고 추적해 보면 될 것이다.
물질에 꼬리를 다는데 이용되는 것이 동위원소, 특히 방사선을 내는 ${ }^{3}$H, ${ }^{131}$I, ${ }^{14}$C, ${ }^{45}$Ca, ${ }^{58}$Fe, ${ }^{82}$Sr 등이다. 방사성 동위 원소로 표지를 한 화합물을 세포나 조직에 투여하여, 방사능(β선)을 추적하면 표지된 물질의 동태를 추적할 수가 있다.
예를 들어 박테리오파지의 증식 과정은 아무리 성능이 좋은 전자 현미경이라도 확인하기가 어렵다. 1952년 허시와 체이스는 자기 방사법을 이용하여 파지 입자에 의해 세균 속으로 들어간 DNA가 자손 파지 입자를 합성하는데 필요한 정보를 가지고 있음을 밝혔다.
${T}_{2}$ 파지(세균성 바이러스의 일종)는 단백질 껍질에 둘러싸인 DNA로 구성되어 있다. DNA는 파지 입자내에서 유일하게 인(P)을 포함한 물질이며, 메티오닌과 시스테인 아미노산이 있는 단백질은 황(S)원자만을 가지고 있다.
그러므로 방사능 인산(${ }^{32}{PO}_{4}^{3-}$)이 들어 있는 영양배지에서 파지를 성장시키면 방사능 DNA를 함유한 파지를 얻을 수 있다. 또 영양 배지에 ${ }^{35}{SO}_{4}^{2-}$ 형태의 방사능 황을 넣어주면 방사능 단백질이 있는 파지를 얻을 수 있다.
표지된 파지(단백질에 (${ }^{35}$S, DNA에 ${ }^{32}$P 방사성 동위원소를 처리한 ${T}_{2}$ 파지)를 숙주 세균(대장균 : E.coli)에 감염시켜, (그림 4)와 같은 결과를 얻었다.
방사성 동위원소를 추적하면, ${ }^{35}$S 아닌 ${ }^{32}$P가 세균에 주입된다는 것을 알 수 있다. 이는 대장균 속으로 파지의 DNA만이 들어가는 것을 뜻하며, 30분 정도 지나면 2백-3백개의 완전한 새 파지가 생성되어 나온다.
여러분은 평생 숫자를 몇까지 셀 수 있을까? 만약 1초에 1을 세는 속도로 센다면 과연 얼마의 수를 셀 수 있을까? 25억을 세는데 소모되는 시간은 무려 70년 정도가 된다. 먹지도 않고 잠도 자지 않고 계속해서 세어도 이 정도밖에 되지 않는다.
세균은 환경 조건이 알맞으면 20분마다 분열을 한다. 우리 몸의 적혈구는 혈액 1mL당 4백 50만-5백 50만개가 있다. 사람의 몸은 약 60조 개의 세포로 이루어져 있다. 그러면 이 숫자를 어떻게 셀 수 있는 것일까?
현미경 아래에서 세포수를 측정하는 방법은 덮개 유리와의 사이에 일정한 깊이를 갖고, 일정한 간격의 사방 눈금을 새긴 슬라이드에 균부유액을 취하여 현미경 아래서 구획내의 총균수를 직접 재는 방법이다.
효모용으로는 Thoma계산방(깊이 0.1㎜, 방안간격 0.05㎜, 1구획 체적 2.5×${10}^{-3}$㎣), 세균용으로는 Petroff-Hausser계산방(깊이 0.02㎜, 방안 간격 0.05㎜, 1구획 체적 5×${10}^{-3}$㎣)이 흔히 이용되고 있다.
일반적으로 1구획당 세포수가 5-10개 되도록 희석한 세균 현탁액을 한 방울 계산방 위에 옮기고 기포가 생기지 않도록 덮개유리를 옆으로부터 조심스럽게 덮는다.
함께 생각합시다
* 효모를 22℃에서 배양하여, 24시간 간격으로 이 배양액 한 방울을 채취하여 개체수의 변동을 조사하였다.
이때 효모 배양은 시험관에서 실시하고, 피펫을 사용하여 슬라이드 글라스 위에 배양액을 떨어뜨려 현미경으로 관찰하였다.
효모의 개체수를 조사할 때 반드시 시험관을 잘 흔들어 주어야 한다. 그 이유로 타당한 것은?
① 개개의 효모를 관찰하기 위하여
② 효모의 출아하는 세포를 떨어뜨리기 위하여
③ 피펫으로 효모의 개체수를 최대한 많이 얻기 위하여
④ 효모를 균일하게 분포시키기 위하여
⑤ 효모의 번식을 방지하기 위하며
해설
현미경 아래서 각 구획마다 계산방에 분포하는 총 세포수를 계산해 나간다.
보통 50 구획 이상을 셈하지만 시료를 교환하여 계수를 반복하는 것이 바람직하다.
마지막으로 1구획당 평균치를 구하여 계산방의 체적에 따라 1mL 중의 총균수를 구하게 된다.
이 때의 전제 조건은 효모나 세균이 배양액 속에 고르게 분포되어 있어야 한다는 것이다. 그러므로 위 문제의 정답은 ④번이 된다.
계수 때의 현미경 배율도 가능하면 낮게 한다.
효모의 경우는 3백-4백배, 세균의 경우는 6백-8백배 정도로 하는 것이 좋고, 세균은 위상차 현미경을 사용하는 것이 바람직하다.
