Subzero Osmosis
세포 동결 과정에서 세포 내부의 수분은 Osmosis에 의해 외부로 유출되며, 이 과정은 세포 부피의 감소, 삼투 스트레스, 그리고 탈수를 유발하여 세포 생존율에 직접적인 영향을 미칩니다. 특히 0 ℃ 이하의 저온 환경에서 발생하는 Osmosis는 Subzero Osmosis로 정의되며, 이는 상온 조건에서 관찰되는 일반적인 Osmosis와는 구별되는 양상을 나타냅니다.
1. Freezing - Driven Ionic Charge Imbalance
1) Enriched Chemicals in the Unfrozen Fraction
Jung, W. H., Lee, S. Y., Lee, Y., Ahn, D. J.*, Comput. Biol. Med., 189, 109960 (2025).
Ice - Membrane 계면에서의 MD 시뮬레이션 결과, 얼음 성장 시 Na⁺, K⁺, Cl⁻ 이온은 brine 영역에 농축되는 양상이 관찰되었습니다. 263 K 조건에서는 약 1.5 nm 두께의 brine이 형성되며 이온 농도가 뚜렷하게 상승하였으며, 258 K에서는 brine 두께가 1.1 nm로 더 얇아지면서 이온 농축이 더욱 강하게 나타났습니다. 이러한 결과는 동결 과정에서 Freeze Concentration 현상이 일어나며, 온도가 낮을수록 전하 불균형이 심화됨을 보여줍니다.
2. Transmembrane Potential Induced
by Freezing - Driven Ionic Charge Imbalance
Jung, W. H., Lee, S. Y., Lee, Y., Ahn, D. J.*, Comput. Biol. Med., 189, 109960 (2025).
세포 내부와 외부에서의 이온 농도를 정량화한 결과, 동결이 진행될수록 외부 brine에 Na⁺, K⁺, Cl⁻ 농도가 급격히 증가하였으며, 온도가 낮을수록 이온 농축이 심화되었습니다.
막 전위를 계산한 결과, brine 영역의 이온 축적에 따른 전하 불균형이 지질막에 뚜렷한 Transmembrane Potential를 형성함을 보여줍니다.
3. Membrane Poration Induced by Charge Imbalance
Jung, W. H., Lee, S. Y., Lee, Y., Ahn, D. J.*, Comput. Biol. Med., 189, 109960 (2025).
시간이 지나면서 brine에 농축된 이온과 전하 불균형이 누적되어 막 구조가 불안정해집니다. 약 97 ns 부근에서 pore 형성이 본격적으로 시작되며, 97 - 136 ns 동안 지질 사슬이 노출된 Hydrophobic Pore가 생성됩니다. 이후 Pore 내부가 물 분자로 채워지면서 Hydrophilic Pore로 전환되며, 3000 ns까지 유지됩니다. 이는 동결 과정에서의 전하 불균형이 지질막의 물리적 파괴로 이어짐을 입증합니다.