배양육의 시작, 세포에 관하여

배양육의 과학 (1) - 세포, 세포주

* 이 글은 Good Food Institute의 아티클 Deep dive : Cultivated meat cell lines를 국문 번역 및 재구성한 것입니다.

배양육 생산의 시작은 세포이며, 여기에서 쓰이는 세포는 스스로 재생하고 분화할 수 있는 줄기세포다. 이 줄기세포가 증식과 분화를 거쳐 고기의 조직인 근섬유, 지방세포, 연골세포, 내피세포 등이 된다. 줄기세포는 여러 방법으로 얻을 수 있는데, 가장 흔한 방법이 살아있는 동물로부터 세포 샘플을 채취하는 것이다.  

고기를 만드는 데에는 여러 종류의 세포가 쓰일 수 있다. 어떤 종류의 세포를 쓰는지, 또 그 특성이 어떻게 되는지는 뒷단의 배양육 생산 과정에 영향을 미친다. 근육 줄기세포(skeletal muscle stem cells 또는 myosatellite cells), 지방 줄기세포(adipogenic stem cells), 중간엽 줄기세포(mesenchymal stem cells), 유도만능 줄기세포(induced Pluripotent stem cells) 등이 주로 사용되는 줄기세포다. 특정 신체기관의 1차 세포(primary cell) 샘플로 제품을 만들 수도 있는데, 유방선에서 채취한 세포는 우유 생산에, 간에서 채취한 세포는 프와그라 생산에 쓰일 수 있다. 어떠한 경우이든 건강한 동물로부터 세포를 얻고, 세포의 질과 추적 가능성을 담보할 수 있는 자료를 문서화하는 것이 중요하다.  

   

세포주 

출처 : https://www.sciencedirect.com/topics/agricultural-and-biological-sciences/cell-lines

세포와 관련한 배양육 기술의 핵심은 오랫동안 증식할 수 있는 좋은 특징을 가진 세포주(cell lines)를 쓰는 것이다. 다양한 생물종과 다양한 세포 종류의 세포주를 확보하는 것이 배양육 연구의 주된 난관이다. 새로운 세포주를 만드는 것은 시간과 자원이 많이 드는 작업으로, 6주에서 18주까지 걸린다. 따라서 세포주 생산과 유통에 특화된 B2B 기업들도 있다.  

대량 생산을 위해 어떤 세포가 최적인지, 특정 제품을 만드는 데에 어떤 세포가 최적인지에 대한 지속적인 연구가 필요하다. 세포의 종류나 생물종에 따라 세포가 가진 고유한 특성이 달라 적합한 배양 방식, 성장 속도, 분열 시간(doubling time), 분열 능력, 물질대사, 유전적 안정성 등에 차이가 있기 때문이다. 이러한 특징들이 기술경제성 모델과 바이오프로세스 디자인과 함께 검토되어야 한다.

 

세포 엔지니어링은 생산과정의 효율성과 생산성을 높이는 데 중요한 역할을 하며, 최종 제품의 특징(예: 영양성분)에까지 영향을 미칠 수 있다. 세포 엔지니어링은 '세포 적응(adaptation)' 혹은 '유전 공학(genetic engineering)'의 형태로 행해진다. 세포 적응은 하나의 세포주를 다양한 컨디션에서 연속적으로 계대배양(subculture)하면서 선별하는 것이다. 이 과정을 거치면 새로운 조건들에 적응된 세포주가 나오거나, 새로운 특징을 가진 세포주가 나온다. 대표적으로 혈청이 없는 배양액에 적응하거나, 부유 배양에 적응하는 것이다. 유전공학은 DNA를 제거하거나, 재배열하거나, 추가함으로써 영속적인 변화를 가져오는 것이다. 몇몇 업체는 유전공학을 사용하지 않겠다고 선언했지만, 다양한 유전공학 기법이 담긴 특허를 출원한 업체들도 있다. 규제당국의 식품 허가나 소비자의 인식에 따라 배양육에 적용되는 유전공학의 범위가 결정될 것이다.

세포주 고려사항

세포주 선발 전략은 한 마리의 동물로부터 여러 세포주를 만들거나, 한 동물의 여러 위치에서 생체검사(biopsy)를 하거나, 나이와 성별을 구분하거나, 같은 종 안에서 다른 개체를 선택하거나, 추출된 세포주를 복제하는 방법 등이 있다. 예컨대 품종 개량은 특정 동물 품종 안에서 선호되는 특징을 만들어내었고, 이러한 특징들은 체외에서 전략적으로 재현될 수 있다. 아르헨티나 기업 Cell Farm Food Tech는 독자적인 아르헨티나 소 품종으로부터 중간엽 줄기세포를 얻으려 하고, 미국 기업 Eat Just는 와규를 재현하기 위해 일본의 토리야마 농장과 파트너십을 맺었다. 그리고 세포주는 가능한 한 폐쇄된 무리에서 병원균 없이 자란 동물로부터 얻어야 한다.

최초에 세포를 채취하는 위치 또한 뒷단에 영향을 미칠 수 있다. 중간엽 줄기세포(MSC)군의 분화 가능성에 영향을 미칠 수 있다. 수축 속도가 빠른 근섬유 부위에서 채취한 근육 줄기세포를 사용하면 최종적인 맛과 식세포의 대사 속도가 달라질 수 있다 (Y.-C. Huang, Dennis, and Baar 2006). 위치 변수는 만능줄기세포로부터 나온 결과에 영향을 거의 미치지 않지만, 여러 만능 줄기세포주 사이에서의 개별적인 변형이나 복제 변형은 다루기 어려운 난제로 알려져 있다(Kyttälä et al. 2016). 이러한 것들을 고려했을 때, 배양육 생산의 최적 세포주를 결정하기 위해서는 많은 동물종, 줄기세포 종류, 세포주 변수들이 탐구되어야 한다.

세포 배양을 이용한 고기 생산이 기존의 도축 방식보다 유리한 이점 중 하나는 실시간 테스트, 데이터 분석, 파라미터 반복을 생체 검사 단계부터 제품 패키지 단계까지 할 수 있다는 것이다. 이를 통해 혁신 속도를 가속화하면 제품 생산까지 성공적으로 이끌 수 있을 것이다.