21세기 첨단 과학은 자연계의 베일을 하나씩 벗기며 그 비밀을 풀어내고 있다. 멀게는 상상의 세계에 존재하던 은하계의 비밀이 우주탐사선에 의해 밝혀지는가 하면, 가까이는 사람 몸 안의 세포의 비밀이 풀리고 있다.



지난해 미국에선 통념을 깨는 희소식 하나가 들렸다. 방광이 제 기능을 하지 못하는 환자의 방광 전구세포를 떼어내 체외에서 배양한 후, 방광을 만든 뒤 이를 다시 이식하는 치료에 성공을 거두었다는 소식이다. 이는 맞춤형 장기 이식시대의 신호탄이라고 할 수 있다.



장기에서 떼어 낸 작은 세포조각을 체외에서 배양한 후 생체에 다시 이식하는 기술은 세포에 대한 생명공학의 기술진보를 의미한다. 그럼에도 불구, 아직도 생명공학은 세포의 비밀을 완전히 풀어헤치지 못하고 있다. 이는 암, 당뇨병 등 난치병 정복이 안 되는 이유이기도 하다.



하지만 인류의 필사적인 노력은 아직도 진행 중이며 그 다음 단계는 지구가 아닌 우주가 될 것으로 보인다. 내년에 우주에서 진행될 한국 최초 우주인의 실험과제 중의 하나가 우주공간에서 ‘소형생물배양기(Bioreactor)’를 통한 세포배양 실험이다.




현재 경기도 부천시에 소재한 바이오테크놀로지 기업 ‘바이오트론’이 이 소형 세포배양기 ‘바이오리액터(Bioreactor)’를 만들고 있다. 바이오트론 장규호 대표(43)는 이 우주실험이 지상의 세포실험과는 다른 무중력 환경에서 새로운 결과를 가져다 줄 것으로 기대하고 있다.




무중력에선 3차원 세포 실험 가능해




내년 4월 8일 한국 최초의 우주인이 러시아 우주왕복선 소유즈를 타고 우주도전에 나선다. 우주인들의 기착지는 국제우주정거장 (ISS). 약 354km의 저궤도에 머물고 있는 ISS의 내부는 무중력 환경이다.



인간이 무중력 환경에 갑자기 노출되면 ‘우주 멀미’에 걸려 현기증과 구토를 일으킬 수 있다. 또 장기간의 무중력 생활은 혈액이나 체액의 순환에 변화를 가져오고 이에 따른 심장이나 간장 등의 장기에 악영향을 미친다. 특히, 뼈의 칼슘분이 빠져나가 인위적인 골다공증을 가져온다.



그러나 인체에 악영향을 미치는 무중력이 항상 나쁜 것만은 아니다. 지상에선 곤란한 실험도 무중력은 가능하게 한다. 그 중의 하나가 바로 세포배양 실험이다.



“줄기세포 배양의 경우, 체세포 복제된 배아가 분열해 만들어진 세포 덩어리를 떼어내 바탕영양세포(피더셀) 위에서 줄기세포로 배양한다. 이렇듯, 세포가 자라기 위해선 셀과 셀(cell to cell)의 관계가 매우 중요하다. 그러나 세포가 바닥에 깔려 있게 되면 셀과 셀의 관계는 별로 없어진다. 반면에 미세중력에선 세포가 3차원 구조로 되기 때문에 지상에선 할 수 없는 몸 안의 실험과 같은 모사 환경을 만들 수가 있다. 이것이 이번 우주실험의 가장 핵심적인 내용이다.”



“3차원 배양이 중요한 이유는 사람의 몸에서 신장이나 간장의 경우, 조직이 구성되어 있지만 이를 세포로 떼어내 외부에서 배양하면 세포가 중력의 영향을 받아서 넓게 퍼지게 된다. 그런데 우리가 필요로 하는 세포는 3차원으로 모여 있는 세포다. 그래서 3차원 배양이 중요하고 우주에선 이것이 가능하다”



이미 지상 모의실험 결과, 바이오리액터로 배양한 세포와 자연 상태 즉, 몸 안에 있는 세포, 인위적으로 정체 배양한 세포들의 비교에서 현저한 차이가 났다. 십자인대조직의 3차원 구조도 아주 좋은 결과가 나온 적이 있다. 세포의 배양실험을 인체 내에서 그대로 한 것처럼 할 수 있다는 결론을 얻었다.”



지상에서 못하는 또 하나의 무중력 실험이 바로 유전자 발현이다.



“지상에서 나타나지 않았던 돌연변이가 우주에서 나타난다면 그 돌연변이가 왜 생겼는지를 보면서 지상에선 규명이 안 되다 생명공학의 연구를 우주에서 볼 수가 있다. 암, 줄기세포와 같은 것들을 지상에선 못 봤던 것을 우주에서 볼 수가 있고 생명공학기술의 발전으로 이를 지상에서 재현해 유전자 발현, 새로운 치료제 등을 만들 수가 있다.”



그럼에도 불구하고 전 세계적으로 아직 이런 무중력 환경을 갖춘 실험 장치를 갖고 있는 나라는 아직 없는 실정이다. 따라서 내년에 한국 최초의 우주인이 실험에 성공하면 이 분야의 선구자가 될 수 있다.




기술 개발 힘들지만 부가가치는 엄청나





세포배양은 이제 생명공학의 발전에 없어서는 안 될 중요한 분야로 자리매김했다. 그리고 그 발전의 토대가 된 것이 줄기세포 연구다. 이 줄기세포 실험을 우주에서 하려면 바이오리액터와 같은 배양기가 있어야 한다.



“배아줄기세포들은 각각의 분화될 수 있는 상태에 따라서 여러 가지 줄기세포로 나온다. 이 세포들이 각막, 머리, 눈썹, 손톱 발톱 등 여러 장기 세포로 어떻게 분화되는지에 대한 연구를 전 세계적으로 진행하고 있다. 최종적으로 이 줄기세포를 사용하려면 이 세포를 배양할 수 있는 바이오리액터 시스템이 매우 중요하다.”



세포는 몸 안에서 들러붙어 자란다. 이것이 바로 세포의 부착성이다. 이는 외부에서 자랄 때도 마찬가지다. 일반적으로, 세포는 바닥에 부착시켜서 배양을 하는데 3차원 구조로 되어 있는 ‘지지체(scaffolds)’에 부착시켜서 배양한다. 이를 위해 바이오리액터 안에 이 지지체를 삽입하는 경우도 있다. 따라서 바이오리액터 내에는 사람의 몸속과 같이 세포가 자랄 수 있는 환경이 갖추어져야 한다.



“세포가 제대로 배양되려면 먼저 양분 공급이 필요하다. 세포가 양분을 다 먹으면 배지교환을 해주어야 한다. 또 호흡도 할 수 있어야 한다. 또 미세 환경의 구축, 적당한 온도, 중성에 맞추어진 ph 농도 등의 조건이 갖추어져야 한다. 이외에도 사람 몸처럼 물리, 전기적 자극이 있어야 세포가 살 수 있는 환경이 배양기 내에 만들어진다. 이는 인체와 거의 비슷한 환경이다.”



즉, 세포도 배양기 내에서 호흡곤란이 생기고 영양 부실 상태가 된다. 만약에 관리가 잘 안 되면 세포의 활성화 등이 크게 문제가 된다. 줄기세포의 경우, 세포의 채취량이 약 1천만에서 2억 마리이면 충분히 배양이 가능한데 이 양은 매우 적은 숫자에 해당한다. 그 이유는 세포가 먹는 양분의 가격이 매우 비싸기 때문이다.



따라서 이런 여러 가지 문제들이 향후 바이오리액터 기술이 해결해야 할 과제다. 이러한 복잡한 문제 때문일까? 전 세계에선 아직도 이 4가지 문제를 구현할 배양장치가 없다. 따라서 이 분야는 미지의 땅이며 우주는 꿈의 실험장이다.



“이 실험은 지상에선 전혀 할 수 없었던 것을 우주에서 할 수 있고 지상에서 그대로 재현이 가능하다. 만약에 좋은 결과가 나온다면 그 부가가치는 상상을 초월한다. 그래서 전 세계의 생명공학 연구자들이 우주실험을 하려는 이유가 바로 여기에 있다. 미 NASA에서도 과거에 3천만 달러 들여서 우주에서 세포실험을 한 적이 있다. 하지만 우리가 이번에 개발하는 장치는 나사에서 한 것보다 더 진보된 실험 장치를 올릴 것이다.”