세포 배양 배지에 적용되는 완충 작용

세포 대사의 결과 발생되는 대부분의 대사 산물은 산성이다.
모든 세포 배양 배지에는 이러한 대사 산물로 인해 발생되는 pH의 변화를 줄이기 위해서 완충 작용을 하는 물질이 최소 1가지 이상 포함되어 있다.
※ 이상적인 완충 작용은
1) 특정 배지에 주어진 pH를 지속적으로 유지할 수 있어야 하고,
2) 배지 성분과 화학적 반응을 하지 않아야 하고,
3) 배양시 일어나는 화학적, 생화학적 반응을 방해하지 않아야 한다.
세포 배양 배지에서 1차적으로 완충작용을 하는 것은 sodium bicarbonate와 HEPES이다.
2차적으로 완충 작용하는 것은 무기 염류에 포함되어 있는 phosphate 염으로서,
그러나 혈청이 배지내에 포함되어 있을 때는 완충 작용 범위가 줄어든다.
배지 첨가제인 혈청 또한 완충 역할을 한다.
세포 배양 배지에서 1차적으로 완충 작용을 하는 sodium bicarbonate/carbon dioxide(NaHCO3/CO2)는 아래와 같은
반응을 함으로써 세포내 pH를 유지한다.
NaHCO3 + H2O → Na+ + HCO3- + H2O → Na+ + H2CO3 + OH-→ Na+ + OH- + H2O + CO2 → increased alkalinity

※ 세포 배양 배지 내에 존재하는 sodium bicarbonate는
1) pH를 유지하고,
2) 삼투압을 유지하며
3) 에너지원을 제공하는 3가지 역할을 한다.
※ 그러나, sodium bicarbonate를 사용할 경우
1) sodium bicarbonate는 37℃에서 pKa 6.3을 가짐으로 pH7.0-7.5 범위에서는 최적의 완충 작용을 하는 것은 아니며
2) 5-10% CO2/95-90% air의 특수한 환경을 필요로 한다는 단점이 있다.
이러한 단점을 보완하기 위해서 여러 가지 방법이 제시되고 있다.
예를 들면 Hanks' balanced salt는 sodium bicarbonate 의 농도를 낮추어 후자의 경우를 보완하였다.
Sodium bicarbonate를 대신하여 Tris를 사용할 수도 있다.
그러나 Tris는 amine을 가지고 있어 화학 반응성이 높고, 세포 증식의 저해제로 작용할 수 있고, 생체막을 통과할 수 있고,
생체막을 통과할 수 있고, 온도에 따라 pH가 변화되는 단점이 있다.
1966년 Good은 pH 6.15 (MES)에서 pH 9.55 (CHES)의 범위를 망라하는 zwitterionic buffer 계열을 도입하였는데
이에 HEPES가 포함되어 있다.
HEPES buffer는 37℃에서 pKa 7.31을 가지고 있어 세포 배양 배지에 최적하며 세포막을 통과하지 않는다.
HEPES를 배양배지에 포함시킬 경우에는 삼투압을 맞추어주기 위해서 NaCl 농도를 낮추어 준다.