배양육에 사용되는 세포의 종류
배양육의 과학 (2) - 줄기세포
* 이 글은 Good Food Institute의 아티클 Deep dive : Cultivated meat cell lines를 국문 번역 및 재구성한 것입니다.
앞선 글에서 배양육은 줄기세포를 사용한다고 이야기했다. 줄기세포의 종류도 여러 가지고, 그중 배양육 개발에 사용되는 것들이 있는데 각 줄기세포 종류의 특징과 장단점에 대해 알아보겠다.
만능 줄기세포 (Pluripotent Stem Cells: PSC)
배아 줄기세포(embryonic stem cells)는 배아의 발생과정에서 추출한 세포로, 모든 조직의 세포로 분화할 수 있는 능력을 지녔으나 아직 분화되지 않은 '미분화'세포이다. 배아 줄기세포를 배양육에 사용하기 위해서는 배아 줄기세포주를 확보해야 한다. 배아 줄기세포주는 수정 후 며칠이 지나지 않은 낭포(blastocyst)의 속세포 덩이(inner cell mass)에서 채취한다. 안정적인 배아 줄기세포주를 채취하는 과정은 매우 까다로운데, 배아 물체를 확보하고 실험하는 것이 어렵고, 세포가 배양환경에 매우 민감하고, 자생적인 분화 없이 증식을 유지하는 데에 종마다 다른 성장인자가 필요하기 때문이다. 솟과 동물의 배아 줄기세포주 채취는 2018년에 처음 이루어졌다(Bogliotti et al. 2018). 따라서 다양한 산업동물종을 배양육으로 만들려면 다양한 종으로부터 배아 줄기세포주를 얻는 대대적인 작업을 해야 한다.
이에 대한 대안으로 과학자들은 유도만능 줄기세포(induced Pluripotent Stem Cells: iPSCs)를 고안해냈다. 이는 세포 리프로그래밍(cell reprogramming) 기술을 이용해 배아로부터 세포를 추출할 필요 없이 배아줄기세포주의 필요한 성질을 가진 세포를 만드는 것이다. iPSCs는 백혈구 같은 체세포를 통해 만들 수 있으며, 최종 세포 종류의 중요한 유전자 조합이 어떻게 발현되느냐에 따라 어떤 세포 종류든 될 수 있어 만능세포라 불린다(Rackham et al. 2016). 리프로그래밍을 하면 초기의 세포 종류를 근육(Ito et al. 2017)이나 지방(Wu, Jin, and Gao 2017) 등 다른 세포 종류로 바로 바꿀 수 있다. 이 기술을 사용하는 대표적인 예는 이스라엘 기업 Future Meat로, 섬유 아세포(fibro blast)를 초기 세포주로 사용한다.
출처 : https://www.sigmaaldrich.com산업동물의 유전자들은 보존이 잘 되어 있어 iPSCs가 생성되어 있으나, 어류 등 해양생물의 iPSCs는 많지 않다(Rosselló et al. 2013). iPSCs는 기능적으로 배아 줄기세포와 거의 동일하며 추출하기 쉽다는 장점이 있으나(Choi et al. 2015), 전환 효율성이 유동적이고 불완전하며, 증식이 제한적이라는 한계도 있다(Prasad et al. 2017). 배양육 생산이 엄청나게 많은 양의 세포를 필요로 하기 때문에, 분화전환(transdifferentiation : 분화한 자손 세포가 다른 분화를 일으키는 상태) 전에 증식이 일어나야 하며 전환되지 않은 세포들은 버려지면서 바이오프로세스의 전체적인 효율성에 영향을 미칠 수 있다.
성체 줄기세포 (Adult Stem Cells)
중간엽 줄기세포(Mesenchymal Stem Cells: MSC)
출처 : https://www.mdpi.com/2073-4409/8/8/886성체(adult body)의 많은 조직은 줄기세포의 저장소이며, 이 줄기세포들은 생물이 상처를 입거나, 세포가 죽거나, 죽은 피부 세포를 어린 세포로 바꾸는 세포 전도(cellular turnover) 과정에서 세포군을 보충하는 데 필요하다. 이러한 줄기세포를 성체 줄기세포라 부른다. 중간엽 줄기세포(MSC)는 가장 많이 연구된 성체 줄기세포 중 하나로, 주로 골수나 지방조직 생체 검사(biopsy)에서 유래한 세포군을 정제해서 얻어진다. 일반적으로 MSC가 여러 세포 종류로 분화할 수 있는 능력(multipotency) 덕분에 어떤 배양액을 쓰는지에 따라 지방 세포를 만들거나 근육 세포를 만들 수 있다. 따라서 MSC는 고기의 주요 세포 구성을 만들 수 있는, 구하기 쉬운 초기 세포의 원천이다.
Fibroblasts(섬유 아세포), myofibroblasts(근육섬유모세포), and fibroadipogenic progenitor cells(섬유-지방성 전구세포:FAPs)
골격근의 유지에는 여러 근육세포 종류가 관여한다. 근육 결합 조직(connective tissue)을 만드는 세포외 기질(extracellular matrix(ECM) : 세포 밖에서 세포와 조직 사이의 공간을 채워줌으로써 세포를 보호하고 지지하는 구조적 물질)의 구성요소가 쌓이는 것이 항상성, 회복, 재생을 가이드하는 주요 특징이다. 세포외 기질 축적은 근육 안의 다양한 세포 종류에서 발생하는데, 대표적으로 Fibroblasts(섬유 아세포), myofibroblasts(근육섬유모세포), and fibroadipogenic progenitor cells(섬유-지방성 전구세포)가 있다.
Fibroadipogenic progenitor cells은 중간엽 전구세포(mesenchymal progenitor cell)의 특이종으로, 근육섬유모세포(myofibroblasts), 지방세포(adipocytes), 연골세포(chondrocyte), 골형성 세포(osteogenic cells)로 분화할 수 있다(Biferali et al. 2019). 골격근관(skeletal myotubes)의 형성에 직접적으로 관여하지는 않지만, 근육조직 형성과 근조직 분화에 영향을 주는 다양한 성장인자와 기타 물질들을 분비한다(Wosczyna and Rando 2018).
근육 줄기세포(myosatellite cells)
골격근 조직에 있는 줄기세포군을 근육 줄기세포라 한다. 조직특이(tissue-specific) 줄기세포군 중 가장 수가 많은 세포 종류 중 하나다. 근육조직의 기저판(basal lamina) 밑에 근섬유와 나란히 있는데 부상이나 스트레스에 의해 활성화되기 전까지는 활동하지 않는다. 국소 마취 후 근육 생체 검사(biopsy)를 하거나 최근 도축된 동물에서 얻는다. 체외에서 근육 줄기세포의 증식 능력을 유지하는 것은 오랜 난제였고, 많은 연구가 일어나고 있다. 근육 줄기세포가 활성화되면 근아세포(myoblasts)가 생성되고, 이후 주요 전사 인자(transcription factors)의 발현에 따라 근육세포, 다핵세포 근관, 근섬유 형성으로 이어진다(Chal and Pourquié 2017). 근육 줄기세포가 중간엽 줄기세포와 비슷한 경로를 따라 지방세포 등 다른 세포 종류의 형성으로 이어진다는 연구가 있으나(Shefer, Wleklinski-Lee, and Yablonka-Reuveni 2004), 이에 대한 반론도 있다(Starkey et al. 2011). 따라서 근육 줄기세포는 체외에서 골격근을 얻는 가장 직접적인 방법이지만, 고기의 세포 구성요소를 형성하는 초기 세포 종류로는 적합하지 않을 수도 있다.
출처 : Molecular Biology of the Cell (Garland Science 2008)종에 따른 차이
줄기세포 배양에 대한 지식은 세포치료와 재생의학 분야에서 왔다. 실험 기법과 프로토콜, 시약 등 배양육 생산에 적용될 수 있는 유사점들이 많이 있지만, 다양한 동물종의 세포를 기르는 데에서 오는 중요한 차이점도 있다. 세포종을 이용한 연구의 대부분은 인간과 생쥐 세포를 연구한 것이고, 소, 돼지, 양, 조류, 어류의 줄기세포를 이용한 연구는 많지 않다. 다행히도 민간 기업들은 가축에 대한 세포 생물학과 유전학에 대한 정보를 많이 가지고 있어 이것이 유용하게 활용될 수 있다. 더불어 정교한 게놈 해석, 허가받은 항체, 다른 학문의 데이터셋이 마련되어야 한다. 또한, 사람과 생쥐에 기반한 세포 배양 전략이 진화적으로 먼 갑각류나 어류 종에 얼마나 성공적으로 적용될지 미지수다. 따라서 전체적인 바이오프로세스가 종별로 반복되더라도, 다양한 동물종 간의 고유한 생물학적 차이에 따른 차이는 긍정적으로든 부정적으로든 있을 것이다.
