세포배양을 할 때 세포배양기 (CO2 incubator)에서 CO2를 5%로 배양하는 이유

실험실에서 세포를 배양할 때 세포배양기 혹은 CO2 인큐베이터에 세포를 넣어 배양을 합니다. 세포배양기는 세포의 배양을 위하여 일정한 온도와 CO2 의 조절 등을 통해 최적의 환경을 유지를 하여야 합니다. 일반적으로 생물은 생존을 위하여 산소를 필요로 하기 때문에 산소 인큐베이터에서 배양을 하여야 하는 것이 아닌지 의문이 들 수 있습니다. 실제로 산소의 농도를 조절하는 제품도 있으나 실험에서 많이 사용되는 배양기는 CO2를 5%~10%로 맞춘 세포배양기 (CO2 인큐베이터)를 사용합니다.

1. 혈액 내 CO2 운반 경로

세포배양에 앞서, 사람의 혈액내 CO2 운반을 생각해 봅시다.
일반적으로 혈액에는 적혈구, 백혈구, 나트륨, 칼륨 등 많은 물질들이 존재하고 있습니다. 분압차에 의한 외호흡을 통해 받아들인 산소는 혈액을 통해 세포로 전달되고 기체교환을 통해 CO2가 혈액에 존재하게 됩니다.
 
세포 또는 조직에서 생성된 CO2의 90%이상은 적혈구로 이동하고 혈장에는 7% 정도만이 남아 있게 됩니다. 적혈구로 들어온 CO2의 일부는 헤모글로빈과 직접 결합합니다. 이때 CO2는 산소와 경쟁적 결합을 하지 않습니다. 또 일부는 물과 만나 탄산탈수소화효소에 의해 탄산 (H2CO3)(Carbonic acid)을 거쳐 중탄산염 (HCO3-)(Bicarbonate)의 형태로 이동하게 됩니다.

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중탄산염 (HCO3-)(Bicarbonate)은 혈액내 pH 완충제의 역할을 합니다. pH는 수소이온(H+)의 양을 의미하는데, 혈액 내의 pH가 정상수치보다 높거나 낮으면, 즉 항상성을 유지하지 못한다면 체내 단백질이 제기능을 하지 못하고 물질대사 시스템에 문제가 발생하는 등 생명체에 매우 치명적입니다.
 
이때 탄산 (H2CO3)(Carbonic acid) 과 중탄산염 (HCO3-)(Bicarbonate)이 혈액 내에서 생명체에 필수적인 pH를 완충하는 역할을 하게 됩니다.
 
하지만, 세포배양을 할때는 위와 같은 완충장치가 없기 때문에 pH완충역할을 하는 시스템을 따로 만들어 주어야 합니다.

2. CO2 인큐베이터를 사용하는 이유

pH를 확인할 수 있는 배지 (media)를 CO2 인큐베이터에 넣으면 CO2농도의 조절에 따라 배지 (media)의 색이 변할 수 있는데 CO2가 배지의 pH에 영향을 줄 수 있다는 것을 의미합니다.
 
일반적으로 세포배양에 사용하는 배지 (media)는 완충력을 위하여 탄산수소나트륨 (NaHCO3)(Sodium bicarbonate)를 사용하는데 CO2 와 함께 배지 (media) 내의 pH를 적절히 조절합니다. 즉 세포가 배양될 수 있는 pH를 유지하기 위하여 CO2 인큐베이터를 통해 CO2 를 조절하는 것입니다. 배지 (media) 내의 pH는 세포의 호흡에 매우 중요합니다. CO2 없이 산소만 존재한다면 세포는 호흡을 진행이 불가능 할 수 있습니다.
 
따라서, CO2 인큐베이터는 온도, 습도 등 여러 환경을 맞추기 위하여 사용을 할 뿐만 아니라 배지의 pH 조절을 위하여 이용됩니다.

3. 왜 CO2 농도는 5%인가?

실험실에서 자주 쓰이는 CO2 농도는 5%입니다. 하지만 왜 5%로 맞추는 것일까요?
 
일반적인 탄산수소나트륨 (NaHCO3)(Sodium bicarbonate) 배지 (media) 의 경우 5%의 CO2에서 pH가 중성 (pH 7.4)이 유지되도록 합니다.
 
만약 CO2 의 농도를 5% 이하로 조절할 경우 위의 식에 따라 OH- 가 발생하여 배지 (media) 내 pH는 증가하여 알칼리성 (염기성) 으로 높아질 수 있습니다. 반대로 5% 이상으로 조절할 경우 pH는 감소합니다.
 
하지만 5% 라는 수치는 배지 (media)의 종류와 배지 (media)안에 있는 탄산수소나트륨 (NaHCO3)(Sodium bicarbonate) 의 양(몰수)과 세포주 (Cell line)에 따라 다양하게 조절이 될 수 있으며 CO2 가 불필요한 경우도 있습니다.
 
대부분의 Mammalian 세포주는 pH 7.4에서 잘 자라지만 Transformed 세포주는 약산성 (pH 7.0 ~ 7.4)의 환경이 적절하며 Fibroblast 세포주는 약알칼리성 (염기성)(pH 7.4 ~ 7.7)에서, 어떤 곤충 세포주는 pH 6.2가 최적의 환경이기도 합니다.

또, 배지의 종류에 따라 pH 7.4에 해당하는 CO2 농도가 다르며, 같은 탄산수소나트륨 배지라도 NaHCO3의 농도에 따라 pH 7.4에 해당하는 CO2 농도가 5~10% 등 차이가 날 수 있습니다.

따라서, 반드시 CO2 의 농도를 5%로 맞출 필요는 없으며 실험하는 환경(세포주, 배지 등)에 따라 유동적으로 조정을 할 수 있습니다.