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[바이오리포트] 인공세포로 생체조직과 장기를 제조하는 시대가 온다

정흥채 / 한국생명공학연구원

#장면1

“정박사! 서둘러 간세포를 배양하여 간조직을 만들어 줘. 간암환자의 간을 이식해야겠어”

#장면2

“이박사! 교통사고로 얼굴의 일부가 함몰된 환자가 발생했는데, 크기와 모양을 스캔했으니 그 모양대로 피부세포를 배양하여 조직을 만들어 줘”

영화에서나 나올법한 이야기지만, 조만간 실험실에서 세포를 배양하여 인체 조직이나 장기를 만들고 이를 환자에게 이식시키는 일이 일상이 될 것 같다.

현재는 조직과 장기의 일부를 이식하기 위하여 자가 또는 타인의 조직과 장기를 확보하여 이식하고 있지만, 국내에서는 장기 공여자와 수여자의 수급불일치로 장기이식 대기환자가 이식받지 못하고 매년 만 여명이 사망에 이르고 있다.

장기이식을 위한 대안 기술로는 인간의 유전자를 포함하는 특정 장기를 갖는 무균돼지 등 동물을 키워 필요시 인간에게 이식하려는 시도와 3D프린터를 이용하여 세포를 장기나 조직 모양으로 찍어내려는 시도도 있다. 하지만 2가지 모두 이미 3차원 구조가 형성된 조직이나 장기를 직접 활용한다는 측면에서 인간이 세포의 기능을 원하는 대로 조작하지 못했다.

인공세포의 제작이 가능한 합성생물학의 발전

난자와 정자가 수정된 세포가 분화되어 조직과 장기를 형성할 때 세포와 세포 사이에 신호를 주고 받은 후 서로 엉겨 붙어서 특정 조직과 궁극적으로 장기를 만들어 간다. 이러한 일련의 과정은 모두 세포내에 존재하는 DNA에 암호화되어 있다. 생물학자들은 이 암호의 해독에 지난 몇 십년간 심혈을 기울이고 있으며 그 비밀이 하나씩 벗겨지고 있다.

또한 세포의 생명현상을 이해하기 위하여 DNA의 염기서열을 읽고 암호를 풀고 원하는 대로 합성하기(쓰기)에 노력하였으며, 이는 합성생물학이란 분야로 발전하게 되었다. 이러한 합성생물학은 생명정보의 저장암호인 DNA를 빠르게 읽는 기술과 DNA를 인공적으로 합성하는 유전자 재조합기술에서 시작되었다. 세포에 새로운 기능을 부여하기 위하여 암호하고 있는 DNA조각들을 연결하여 유전자회로를 제작하여 세포에 도입하기만 하면 된다. 마치 전자제품의 전자회로와 같다. 크레이그 벤터(미국,크레이그벤터연구소)는 세포 유전자 전체를 합성하여 인공세포 제작에 성공했으며, 이는 세포기능을 디자인하여 세포를 인위적으로 제조할 수 있음을 보인 것이다.

(합성생물학이란 생명현상의 과학적 이해를 바탕으로 공학적 관점을 도입한 학문으로 자연계에 존재하지 않는 생명체 구성요소와 시스템을 설계·합성하거나 존재하는 생명체를 재설계·합성하는 새로운 개념의 생물학분야)

자기조직화 다세포구조를 만드는 인공세포의 제작

세포의 자기조직화란 세포간 상호신호전달 및 세포표면를 서로 인지하여 세포 스스로 3차원 구조를 형성하는 과정으로써 세포가 분화되어 조직과 장기를 형성할 때 나타나는 생명현상이다.

최근 과학자들(미국 캘리포니아대 레오나르도 모르슈트교수팀과 스탠포드대 웬델 림교수팀)은 합성생물학 기술을 활용하여 세포의 유전자를 조작하여 세포가 서로 신호를 주고 받아 원하는 형태의 조직을 형성하게 할 수 있는 세포 자기조립 기술개발에 성공하였다. 매우 초기상태의 기술이지만 실험실에서 인위적으로 세포를 조작하여 세포 스스로가 3차원의 생체조직을 형성하고 이것을 이용하여 궁극적으로는 장기를 제조할 수 있는 첫발을 내디딘 연구결과로 세계를 놀라게 하였다.

연구자들은 유전자 재합성을 통해 세포 표면에 서로를 인식할 수 있는 물질을 만들게 한 2가지 세포를 섞어주면 시간이 지남에 따라 세포간 신호전달 및 인식을 통해 재조립이 이뤄지고 최종적으로는 원하는 3차원의 구조를 형성할 수 있게 하였다.(그림 참조)

< 세포를 활용한 자기조직화 다세포 제조과정(출처:싸이언스지, 2018년 7월호)>

자연계에 존재하는 물질들의 분자수준 자기조립화 현상을 모사하여 다양한 자기조립 기술을 개발하였지만, 세포의 자기조립 기술은 아직 보고 된 바 없었다. 이제 인간은 태초에 신이 그랬던 것처럼 세포를 인위적으로 조작하여 원하는 생명체나 그 구성물질과 구조를 제조하고 싶어한다. 방법은 자연계의 생명현상을 두 종류의 이해하는 데서 출발할 수 있다. 대머리를 위한 모낭의 이식 또는 타인의 건강한 간조직을 이식하는 것과 같이 이식을 위한 공여자에 의존하지 않고 실험실에서 인공적으로 세포를 조작함으로서 조직과 장기를 만들어 낼 수만 있다면 인간의 수명은 100세에서 200세로 늘어나지 않을까?

이제 생물학분야는 세상에 존재하는 생명체의 이해를 위한 과학적 탐구와 발견를 넘어서 인공세포 제작을 통한 새로운 생명체나 조직이나 장기를 제조할 수 있는 발명의 시대로 진입하고 있다.

인류역사학자 유발 하라리는 그의 저서 ‘호모 데우스’에서 인간은 유전공학의 발달로 유전자를 개량하고 새로운 장기를 이식 받아가며 젊고 건강한 육체로 장수하는 ‘호모 데우스’(신이 된 인간)가 될 것으로 전망했다. 그 시대가 가까이 온 것 같다.

...................(계속)

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