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Oct 26. 2021
1.3. 연구를 망치는 오염
과학 연구의 오염과 세포 배양에서 생기는 미생물 감염
2022.06.13 '오염의 종류' 추가
세포 배양이 강아지 키우기와 비슷하다고 했다. 강아지는 사람에게 기쁨을 준다. 집에 들어올 때 정신없이 꼬리를 흔들며 무릎 위로 뛰어오르는 강아지는 사랑스럽다. 자다 일어나 잠깐 물 마시러 나올 때조차 따라오는 강아지를 보면 애틋하다. 과학자도 세포를 키우며 행복을 느낄 때가 있다. 세포에서 예상한 실험 결과가 나오면 기쁘다. 예상하지 못한 실험 결과에서 무언가를 깨달을 때는 희열을 느낀다.
강아지를 키우며 매번 행복한 일만 생기는 것은 아니다. 강아지는 산책하는 길에 다치기도 하고, 진드기에 물릴 수도 있다. 집에서 애지중지 키우는 강아지라도 먹으면 안 될 음식을 먹고 죽을 수 있다. 세포도 비슷하다. 세포가 미생물에 감염되면 시름시름 앓는다. 배지가 노래지고 접시 위로 하얀 덩어리가 둥둥 떠오른다. 세포와 강아지의 다른 점은 세포를 위한 병원이 없다는 것이다. 세포는 웬만해선 살릴 수 없다. 오염된 세포는 미련 없이 버려야 한다. 과거는 잊고 오염이 일어난 원인을 찾는 것이 다음 단계이다. 오염원을 없애고 실험 장비를 탈탈 털어 멸균 처리한다. 다음은? 처음부터 다시 시작한다. 강아지가 진드기에 물릴 때마다 죽고, 새 강아지를 데려와야 한다고 상상해보라. 연구자에게 오염은 그만큼 끔찍한 일이다. 오염은 세포 배양의 모든 단계에서 단단히 막아야 한다.
인큐베이터를 열고 배양 접시를 찾는다. 배지 색깔이 전처럼 투명하지 않다. 불안한 마음에 현미경으로 세포를 관찰한다. 세포 주변에 시커먼 점이 가득하다. 세포도 제 모양을 잃고 울퉁불퉁하다. 망했다. 오염이다.
오염(contamination)이란 연구자가 의도하지 않은 처치 외 무언가가 실험에 개입하는 현상이다. 일상에서 쓰이는 오염과는 다른 개념이다. 오염(pollution)의 사전적 의미는 '더러운 것에 물듦'이다. 아침마다 보던 뒷산 송전탑이 오늘따라 희미하다면 대기 오염이 심각해진 것이다. 도심 개천에 발 담그는 아이들이 걱정스러운 이유는 수질 오염에 대해 알 만큼 알기 때문이다. 실험에서 생기는 오염, '컨탬'은 일상에서 느끼는 오염만큼 더럽지 않고, 신체 건강을 위협하는 일도 없다.
실험실 오염도 일상의 오염만큼 다양하지만, 세포 배양에서 일어나는 오염은 대부분 미생물 감염으로 나타난다. 연구자가 세균을 넣지도 않았는데 세포가 검은 점으로 뒤덮여 있다면 실험이 오염된 것이다.
감염된 세포는 실험에 쓸 수 없다. 감염되어 죽은 세포로는 실험을 할 수 없기 때문이다. 물론 미생물이 들어와도 세포가 죽지 않을 때도 있다. 어떤 세포와 미생물은 합이 잘 맞아 배지 안에서 천연덕스럽게 함께 살아간다. 한 톨의 세포를 키우고 불려서 세포 더미로 만들었는데 오염을 발견했다? 눈 딱 감고 세포를 제자리에 두고 못본 척 하고 싶다는 마음이 올라온다. 절대 안 된다. 오염된 세포는 폐기해야 한다. 오염된 세포로 실험을 계속하면 어느 시점에서든 후회하게 되어 있다.
오염은 왜 실험을 망칠까? 세포가 미생물에 감염되었어도 살아만 있다면 계속 실험에 써도 되지 않을까? 이렇게 생각할 수도 있다. 눈물을 머금고 오염된 세포를 버려야 하는 이유를 상상 실험으로 설명하겠다.
바이러스 치료제를 개발한다고 하자. 치료제를 얼마나 넣어야 효과가 생기는지 확인하는 단계이다. 바이러스에 감염된 세포를 네 접시 준비하고, 각각 치료제를 0µl, 1µl, 2µl, 4µl 씩 넣는다. 일주일 후 세포를 확인해보니 치료제를 0µl, 1µl 넣은 접시의 세포는 여전히 바이러스에 감염된 상태지만 치료제를 2µl, 4µl 넣은 접시에는 바이러스가 사라졌다. 그렇다면 세포를 치료하는데 필요한 치료제 용량은 최소 2µl일 것이다.
그런데 만약 치료제를 2µl만큼 넣은 세포 그룹이 미생물에 오염되었다면 결과를 해석할 수 없다. 세포가 바이러스에서 회복된 것이 치료제 때문인지, 치료제와 미생물이 애매하게 섞인 결과인지 알 수 없기 때문이다. 이럴 때 미생물은 아무 일도 하지 않았을 것이라며 찝찝하게 실험을 덮는 사람은 과학자가 될 수 없다.
현대 과학의 기본 전제는 연구자가 의도한 처치 외에는 실험 대상에 걸린 조건을 모두 통제하는 것이다. 이를 변인 통제라고 한다. 바이러스 치료제 실험에서 연구자가 의도한 처치는 치료제의 용량이다. 나머지 조건은 모든 세포 그룹에서 통일해야 한다. 미생물 감염에 의한 세포의 변화를 보고싶은 것이 아닌 이상, 미생물은 모든 세포에 없어야 한다. 미생물 감염이 실험을 오염시킨다고 말하는 이유이다.
오염은 세포 실험에서만 쓰이는 개념이 아니다. 자연과학 연구에서는 어느 단계에서도 오염이 생길 수 있다. 8천만 년 전 공룡 화석에서 공룡의 DNA를 추출한 연구가 있었다. 연구가 화제가 된 이유는 공룡의 DNA를 분석한 것도 있지만, 공룡 DNA에서 나온 정보가 현시대의 조류보다 포유류에 비슷하다는 결과가 나왔기 때문이다. 파충류와 조류가 진화적으로 가까운 것은 당시에도 잘 알려져 있었다. 연구 결과가 사실이라면 척추동물 분류 체계가 뒤집힐 사건이었다. 그러나 이제 와서 아무도 공룡이 닭보다 코끼리와 더 가깝다고 말하지 않는다. 논문이 나오고 반년 후, 해당 연구가 사람의 생체 정보로 오염된 결과라는 반박 논문이 나왔다. 다른 과학자가 논문의 공룡 DNA를 분석해보니 ‘공룡 DNA’가 수많은 포유류 중에서도 사람의 유전 정보와 제일 가깝게 나왔기 때문이다. 공룡 발굴단이 뼈를 맨손으로 만진 것인지, 시료를 갈아내던 연구자가 재채기를 한 것인지는 알 수 없으나, 어느 시점에서든 오염이 일어난 것은 확실해 보인다.
백악기 공룡 화석 (Cretaceous bone)의 계통 발생 도표. 분석 결과,공룡의 DNA는 닭(domestic fowl)나 고래(whale)보다 사람(human)에 가까웠다.오염은 어느 단계, 어느 재료에서든 일어날 수 있다. 2012년, RNA 연구의 대가 김빛내리 연구진이 논문을 자진해서 철회한 일이 있었다. 특정 시약 때문에 연구 결과가 오염된 것을 뒤늦게 알았기 때문이다. 세포에서 RNA의 양을 측정한 값을 논문에 실었지만, 알고보니 같은 조건의 세포에서도 다른 방법으로 RNA를 추출하면 양이 다르게 나왔다. 연구진은 연구가 오염되었다고 판단, 찝찝한 데이터를 그대로 두지 않고 논문을 내렸다. 이후에는 동료 과학자들이 같은 실수를 하지 않도록 실험 방법을 비교해서 어떤 조건에서 서로 다른 결과가 나오는지 논문으로 알렸다.
연구 결과를 재확인하고 스스로 논문을 철회한 드문 사건이었다.청정한 연구실은 모두 엇비슷하지만, 오염이 생긴 연구실의 오염원은 제각기 다르다. 예를 들어 세포에 미생물이 감염되어 오염이 생길 수 있다. 미생물 감염이라는 범주 안에서도 미생물의 종류에 따라 다른 오염이 된다. 그러니 오염을 막기 위해서는 감염원의 종류에 대해 잘 알고 있어야 한다.
세균은 세포를 오염시키는 가장 대표적인 미생물이다. 현미경상으로 세포 주변에 작은 점이 잔뜩 보인다면 세포가 세균에 오염된 것이다. 세균에 점령당한 배양 접시는 맨눈에도 알 수 있다. 세균 수가 많아지면 배지가 뿌예지고 끔찍한 냄새가 난다. 겪었던 가장 끔찍한 세균 오염은 사무실 캐비닛만한 4칸짜리 인큐베이터가 통째로 날아간 일이었다. 인큐베이터 안에 있던 플라스크 수십 개가 모두 칙칙한 색으로 변해 있었다. 지난 두 달과 연구비 수천만 원이 날아갔다. 이 때 기억이 트라우마로 남았다. 아직도 대형 인큐베이터의 양문을 열고 마주했던 오염된 플라스크의 냄새와 색을 잊을 수가 없다.
다행히 세균 오염은 배지에 항생제를 넣어 막을 수 있다. 페니실린과 스트렙토마이신이라는 항생제 용액을 배지에 섞으면 웬만해서는 세균에 감염되지 않는다. 대학원 실험실에서 항생제를 넣고 세포를 키우다가 학위를 받고 바이오 제약 회사에 들어가면 세포 배양의 난이도가 확 높아진다. 바이오의약품 공장에서는 항생제를 쓰지 않기 때문이다.
바이오의약품은 세포가 만든 단백질로 제작한 약품이다. 행여나 의약품 속에 배양 과정에서 세포한테 먹인 항생제가 남아있으면 환자에게 부작용을 줄 수 있다. 바이오 의약품 공정은 매우 복잡하고 철저하다. 세포 배양 때 들어갔던 항생제가 약품에 들어갈 확률은 아주 낮다. 그러나 대량 생산된 수십만 개 의약품 중 하나라도 문제가 있으면 사람이 죽을 수도 있다. 연구자가 불안하더라도 항생제를 안 쓰는 것이 맞다.
곰팡이 오염도 은근히 일어난다. 귤 박스 구석에 찌부러진 귤에 회색 곰팡이가 생기듯, 냉장고에 두고 잊어버린 스팸에서 된장 냄새가 나듯, 세포와 세포를 담은 접시에도 곰팡이가 자랄 수 있다. 오염 초기 곰팡이는 실처럼 가느다란 균사 형태이다. 맨눈으로는 안 보이고 현미경으로만 관찰할 수 있다. 하지만 한 번 뿌리를 내린 곰팡이는 순식간에 자라난다. 곰팡이가 생긴지 며칠 안에 동그란 덩어리가 눈에 들어올 것이다. 플라스크 속 곰팡이는 노란 치즈볼 과자처럼 예쁘다. 모르는 사람이면 실험실용 마리모인 줄 알 것이다. 연구자 마음이 타들어가는 건 모르고 말이다.
연구자들은 가장 두려워하는 미생물은 이름도 생소한 마이코플라즈마다. 마이코플라즈마는 살아있는 가장 작은 생물이다. 세균의 일종이지만 일반적인 세균보다 크기가 작아 광학 현미경으로도 보이지 않는다. 일반적인 항생제의 원리는 세균의 세포벽을 파괴해서 세균을 죽이는 것이다. 마이코플라즈마는 세포벽이 없어서 항생제로 막을 수 없다.
세포가 아무 이유없이 죽거나 평소보다 너무 느리게 자랄 때 마이코플라즈마 오염을 의심할 수 있다. 마이코플라즈마는 검출 키트를 이용해야만 오염 여부를 확인할 수 있다. 유전물질을 형광으로 염색해서 세포핵보다 작은 형광이 있는지 확인하거나, 마이코플라즈마가 가진 DNA를 PCR로 증폭해서 검출한다. 검출 키트에 양성이 뜨면 그 때부터 지옥이 시작된다. 마이코플라즈마는 눈에 보이지 않으니 배양 중 어느 단계에서 감염되었는지 알 수 없기 때문이다. 클린 벤치와 인큐베이터는 물론, 실험에 사용한 배지와 시약, 세포가 들었던 저온 탱크까지 싹 다 갈아엎어야 할 수도 있다.
모든 과학 활동을 통틀어 오염은 피해야 한다. 그럼에도 세포 배양 시의 오염을 강조하는 이유는 흔한 데다가 한 번 터지면 퍼지기 때문이다. 미생물은 증식하며 전염된다. 배양 접시 하나에서 시작한 오염이 공기를 타고 다른 접시로 옮는 일은 예사다. 운이 나쁘면 인큐베이터에 들어있던 모든 세포가 오염된다. 심각하게는 온갖 세포를 보관하는 세포 동결 장치나 실험실 전체에 오염이 퍼질 수 있다. 나 하나의 실수로 연구실 전원의 실험이 사라지는 것이다.
세포 배양은 섬세한 작업이다. 세상에는 눈에 보이지 않는 미생물과 바이러스가 가득하다. 조심하지 않으면 바로 오염이 난다. 몸이 안전한 이유는 주변에 위험 요소가 없기 때문이 아니다. 바깥에는 피부 장벽이, 안으로는 면역 세포가 구석구석 자기 몫을 하는 덕분이다. 몸을 벗어난 세포는 스스로를 지키지 못한다. 세포 각각에는 면역계라고 할 것이 없다. 세포가 미생물을 만나 배양 접시 안에서 아무리 비명을 질러도 세균를 먹어치울 백혈구는 그곳에 없다.
어떤 병이든 치료보다 예방이 우선이지만, 미생물에 감염된 세포는 치료가 불가능하다. 세포가 잘 자라는 환경에서는 미생물도 잘 자란다. 세포는 따뜻하고 습한 인큐베이터 내부, 영양분이 가득한 배지에 담긴 채로 살아간다. 몸을 벗어난 세포마저 살려내는 환경은 야생의 미생물에게는 천국이다. 미생물은 세포보다 작지만 빠르게 불어난다. 세포 실험에 쓰는 동∙식물 세포들이 8-20시간만에 하나에서 둘로 늘어나는 반면, 세균의 분열 시간은 짧으면 20분이다. 무자비하게 늘어난 미생물은 하룻밤만에 배지의 영양분을 빼앗아 세포를 말려 죽인다.
오염에 맞서는 방법은 하나뿐이다. 오염원이 세포에 닿지 않도록 미리 막는 것이다. 코로나19 사태 때 우리는 면역계가 쉽게 이기지 못하는 바이러스를 만났다. 사람들은 바이러스 감염을 사전에 막기 위해 손을 씻고 마스크를 썼다. 세포를 위해 연구자가 하는 일도 이와 비슷하다. 실험실마다 양상은 다르지만 세포 배양의 비중이 높을수록, 오염에 호되게 당한 연구실일수록 철저하게 원칙을 지킨다. 실험 전후에 손을 씻는다. 자외선 살균기에서 연구복을 꺼내 입고 일회용 마스크와 장갑을 쓴다. 세포 배양실에 들어올 때는 신발을 갈아 신는다. 행여나 발에 묻은 먼지가 실험대에 닿을까 끈적한 매트를 밟고 지나간다. 배양실에 들어가기 전, 강한 바람을 맞고 통로를 지나가는 에어 샤워를 하기도 한다.
세포 배양에 쓰이는 모든 장비와 기구에는 오염을 막는 설비가 들어간다. 인큐베이터의 내장재로 스테인레스를 사용하는 이유는 습한 환경에서 녹이 슬지 않기 때문이다. 반짝반짝 매끈한 금속면에서는 곰팡이나 균이 자라기 어렵다. 이것도 모자라 내부에 자외선 살균이나 고온 고압의 멸균 기능을 지닌 인큐베이터도 있다. 오염을 막겠다고 세포를 굽거나 삶을 필요는 없으니 조심해서 써야 하는 기능이다.
인큐베이터 중에서는 내부를 구리로 만든 것도 있다. 구리 표면에서는 미생물이 살 수 없기 때문이다. 고대 이집트에서부터 활용한 항균 방법인데도 아직까지 정확한 원리는 밝혀지지 않았다. 과학자들은 구리 이온이 미생물에 산화 작용을 일으키거나 생존에 필요한 대사 반응에 파고들기 때문이라고 예상한다. 이유를 모른다고 안 쓸 이유는 없다. 인큐베이터 내 수분을 조절하는 물 쟁반에 10원짜리 동전을 두는 연구자도 있다. 미신같지만 물에 구리 이온이 녹으면 미생물이 살지 못할 테니 효과는 있을 것이다.
내장재를 구리로 만든 Thermo Fisher 사의 인큐베이터클린 벤치 또한 실험대에 깨끗한 공기를 채워 외부 공기를 막는 장비이다. 실험대 공기가 흘러야 하는 이유도 오염 예방이다. 클린 벤치의 바람만으로도 모자라 벤치 내부에 가스 버너를 두는 실험실도 있다. 불 주변 공기가 데워지면 가벼워져서 위로 올라가기 때문이다. 상승 기류가 생기는 불 주변에는 먼지가 내려앉지 않는다. 버너 주변에 생기는 작은 공간에서는 배양 접시 뚜껑을 열어도 미생물이 들어올 여지가 없다.
세포 배양에 쓰이는 실험 도구는 모두 일회용이거나 실험실에서 멸균이 가능한 내열 재질이다. 일회용 실험 도구는 포장째 소독한 후 클린 벤치 내부로 가져와 포장을 제거한다. 벤치 바깥에서 뜯다가 외부 오염원이 묻을 수 있기 때문이다. 그러니 포장이 뜯어진 불량품은 아까워도 폐기해야 한다. 세포 배양용 삼각 플라스크가 원뿔 모양인 이유도 외부에 노출되는 면적을 최대한 좁히기 위해서이다. 입구가 좁으면 오염원이 들어올 여지가 줄어든다. 뚜껑에는 필터가 달린다. 공기는 오고가지만 미생물은 통과하지 못하는 구조이다.
각주 및 출처
정상 세포 사진: Evaluation_MP-070808 (biontex.com)
세균 오염 세포 사진: Bacterial Contamination - Eppendorf Handling Solutions
곰팡이 오염 사진2: https://imgur.com/gallery/gMn1B/comment/92274307
인큐베이터 사진: Document Connect (thermofisher.com)
공룡DNA를 분석했다는 원 논문
Woodward SR, Weyand NJ, Bunnell M. DNA sequence from Cretaceous period bone fragments. Science. 1994 Nov 18;266(5188):1229-32. doi: 10.1126/science.7973705. PMID: 7973705.
반박 논문
Hedges SB, Schweitzer MH. Detecting dinosaur DNA. Science. 1995 May 26;268(5214):1191-2; author reply 1194. doi: 10.1126/science.7761839. PMID: 7761839.
공룡 DNA 관련한 갑론을박을 요약한 New York Times 기사:
Critics See Humbler Origin of 'Dinosaur' DNA - The New York Times (nytimes.com)
왜 과학자들은 공룡 DNA를 두고 싸웠을까? 고생물 유전체 연구는 정답을 알 수 없기 때문이다. 살아있던 생명이 세상에서 사라진 지 오래이다. 스반테 페보의 <잃어버린 게놈을 찾아서 (원제: Neanderthal Man)>에는 누구도 답을 모르는 분야를 연구하며 어떻게 오염을 줄일지 분투하는 이야기가 나온다.
김빛내리 연구진의 논문 철회 사건은 한겨례 사이언스온 기사를 참고했다(http://scienceon.hani.co.kr/45146). 원 논문은 철회되어 짧은 철회 사유만 볼 수 있다.(https://doi.org/10.1016/j.molcel.2012.06.003) RNA 추출 프로토콜에 따라 특정 microRNA가 소실될 수 있다는 논문은 이것이다. https://doi.org/10.1016/j.molcel.2012.05.036
두달치 연구를 날린 후, 연구실은 실험 과정을 하나하나 짚어가며 오염의 원인을 찾았다. 유력한 원인은 배지에 약물을 넣고 여과했어야 했는데 여과한 배지에 약물을 넣고 사용한 것이지만... 진실은 알 수 없 다.
마이코플라즈마 검출 사진1: Mycoplasma Contamination | Thermo Fisher Scientific - KR
마이코플라즈마 검출 사진2: https://www.thermofisher.com/order/catalog/product/4460626
구리의 항균 작용에 관해서는 다음 논문을 참고했다. Grass, G., Rensing, C., & Solioz, M. (2011). Metallic copper as an antimicrobial surface. Applied and environmental microbiology, 77(5), 1541–1547. https://doi.org/10.1128/AEM.02766-10
