15년 차 연구자가 들려주는 알기 쉬운 줄기세포 이야기
그동안 줄기세포의 배양, 유전자 편집, 정밀 분석 기술은 물론, 오가노이드와 같은 생체 모방 시스템이 질병 연구와 신약 개발에 어떤 혁명을 가져왔는지 이야기 나누었습니다. 오늘은 이 줄기세포 기술이 전혀 예상치 못한, 그러나 인류의 미래에 지대한 영향을 미칠 또 다른 분야, 바로 배양육(Cultivated Meat)에 대해 이야기하려 합니다.
'고기'라는 단어를 들으면 초원에서 풀을 뜯는 소나 닭장 안의 닭을 떠올리시겠지만, 이제는 연구실의 배양기 안에서 자라는 고기도 현실적인 선택지로 주목받고 있습니다. 도축 없이 동물의 세포만으로 만들어지는 배양육은 환경, 윤리, 식량 안보 등 인류가 직면한 복합적인 문제에 대한 해답을 제시하며 식량 시스템의 정의를 바꾸고 있습니다. 과연 이 '미래 고기'는 무엇이고, 왜 필요하며, 줄기세포 기반 기술을 중심으로 그 원리와 필요성에 대해 정리해 보겠습니다.
배양육은 '세포 배양 기술을 이용하여 동물의 몸 밖에서 생산한 식용 가능한 육류'를 의미합니다. 이는 살아있는 동물을 사육하고 도축하는 전통적인 축산 방식과는 다른 개념입니다. 배양육은 소, 닭, 돼지 등 동물의 특정 세포(주로 줄기세포)를 소량 채취한 뒤, 실험실 환경에서 증식시키고 근육 또는 지방 조직으로 분화시켜 실제 고기와 유사한 형태와 맛, 질감을 가지도록 만든 제품입니다.
배양육은 초기에는 '시험관 고기(in vitro meat)'와 같이 다소 생소한 이름으로 불렸지만, 기술이 발전하고 상업화가 가까워지면서 여러 가지 긍정적인 의미를 담은 명칭들이 사용되고 있습니다. 대표적으로 다음과 같은 명칭들이 있습니다.
어떤 명칭을 사용하든, 궁극적인 목표는 동일합니다. 바로 동물을 죽이지 않고도 지속 가능하며 안전하고 윤리적인 방식으로 고기를 생산하는 것입니다.
배양육의 근본적인 아이디어는 간단합니다. 우리가 먹는 고기는 결국 동물의 근육 세포와 지방 세포로 이루어져 있습니다. 그렇다면 굳이 동물을 통째로 키워서 도축할 필요 없이, 이 세포들만 분리해서 필요한 만큼 증식시키고 조직으로 만들면 어떨까? 이 발상에서 배양육 기술이 시작되었습니다. 이는 마치 식물을 키울 때 씨앗을 심어 작물을 얻듯이, 동물의 세포를 '씨앗' 삼아 고기를 '재배'하는 것과 같습니다. 이 과정에서 줄기세포의 자기 복제 능력과 분화 잠재력이 핵심적인 역할을 합니다. 줄기세포가 고기의 정의를 '동물의 몸에서 나온 것'에서 '동물의 세포로 만들어진 것'으로 확장하는 셈입니다.
배양육 기술은 실험적 호기심의 산물에 머무르지 않습니다. 이는 현재 인류가 직면한 다양한 글로벌 문제에 대한 실질적인 해결책을 제시하며, 지속 가능한 미래를 위한 필수적인 대안으로 주목받고 있습니다.
전통적인 축산업은 전 세계적으로 심각한 환경 부담을 초래합니다. 유엔 식량농업기구(FAO)에 따르면, 축산업은 전 세계 온실가스 배출량의 상당 부분을 차지하며(약 14.5%~18%), 이는 주로 메탄(소의 되새김질)과 아산화질소(분뇨 처리) 같은 강력한 온실가스 때문입니다1. 또한, 가축 사육을 위한 엄청난 규모의 토지(삼림 벌채를 통한 목초지 확보)와 물이 필요하며, 이는 생물 다양성 감소와 수자원 고갈을 야기합니다. 배양육은 이러한 문제를 획기적으로 해결할 수 있습니다. 연구에 따르면, 배양육 생산은 전통적인 소고기 생산 대비 온실가스 배출량을 최대 92%, 토지 사용량을 최대 95%, 물 사용량을 최대 78%까지 줄일 수 있습니다2. 이는 기후 변화 대응과 지속 가능한 자원 관리에 큰 기여를 할 수 있음을 의미합니다.
수십억 마리의 가축이 밀집된 환경에서 사육되고 도축되는 공장식 축산은 오랜 기간 동물 복지 문제로 비판받아 왔습니다. 배양육은 동물을 도축할 필요 없이 소량의 세포만을 채취하여 고기를 생산하므로, 이러한 윤리적 문제를 해결할 수 있습니다. 동물의 생명권을 존중하고, 불필요한 고통을 주지 않으면서도 육류를 소비할 수 있는 대안을 제공함으로써, 윤리적 소비를 추구하는 소비자들에게 매력적인 선택지가 됩니다.
유엔(UN)은 2050년까지 세계 인구가 약 97억 명에 이를 것으로 전망하고 있습니다. 이처럼 증가하는 인구를 부양하기 위한 단백질 공급원 확보는 인류의 중요한 과제입니다. 기후 변화, 가축 질병(예: 조류독감, 아프리카돼지열병), 그리고 글로벌 공급망의 불안정성은 전통적인 육류 생산에 큰 위협이 됩니다. 배양육은 통제된 환경의 바이오리액터에서 생산되므로, 기후나 질병의 영향을 적게 받으며 안정적이고 예측 가능한 육류 공급을 가능하게 합니다. 이는 식량 안보 강화에 중요한 역할을 할 수 있습니다3.
공장식 축산에서 가축의 질병 예방 및 성장을 촉진하기 위해 사용되는 항생제는 심각한 항생제 내성 문제로 이어져 인류 건강에 큰 위협이 되고 있습니다. 또한, 밀집된 사육 환경은 조류독감, 아프리카돼지열병과 같은 인수공통전염병 발생 및 확산의 위험을 높입니다. 배양육은 무균 환경에서 세포를 배양하므로 항생제를 사용할 필요가 없으며, 동물의 질병으로부터 자유롭다는 장점을 가집니다. 이는 식품 안전성을 높이고 공중 보건에 긍정적인 영향을 미칠 수 있습니다.
배양육은 생명 공학 기술의 정수라 할 수 있는 줄기세포 배양 기술을 바탕으로 만들어집니다. 그 과정은 크게 네 가지 단계로 나눌 수 있습니다.
배양육 생산의 첫 단계는 살아있는 동물로부터 세포를 채취하는 것입니다. 이 과정은 동물의 생명에 해를 끼치지 않는 방식으로 이루어집니다. 주로 소량의 근육 줄기세포(Satellite Cells)나 지방 유래 줄기세포(Adipose-derived Stem Cells)를 생검(biopsy)을 통해 채취합니다. 이 줄기세포들은 자기 복제 능력과 다양한 세포 유형으로 분화할 수 있는 잠재력을 가지고 있어 배양육 생산에 이상적인 출발점이 됩니다. 초기에는 한 번의 채취로 수십만 톤의 고기를 생산할 수 있을 것으로 예상될 정도로 적은 양의 세포만으로도 충분합니다.
최근에는 동물 유래 유도만능줄기세포(animal-derived iPSCs)의 활용 가능성도 활발히 연구되고 있습니다. iPSCs는 성체 세포(예: 피부 세포)에 특정 유전자(야마나카 4인자 등)를 도입하여 생성되며, 이론적으로 무한히 증식할 수 있는 능력(자가 복제능)과 다양한 세포 유형으로 분화할 수 있는 만능성을 가집니다. 이는 한 번의 세포 채취만으로도 훨씬 더 지속적이고 대규모의 세포 공급원을 확보할 수 있게 하여, 배양육 생산의 효율성과 확장성을 혁신적으로 높일 잠재력을 지니고 있습니다. 예를 들어, 돼지나 소의 체세포에서 iPSCs를 유도하여 이를 배양육 생산에 활용하는 연구가 진행 중입니다. 특히 iPSCs를 활용하면 반복적인 동물 채취의 필요성을 더욱 줄일 수 있습니다.
채취된 줄기세포들은 실험실 환경에서 대량으로 증식됩니다. 이 과정은 마치 미생물이나 효모를 대량으로 키우는 것과 유사하게 바이오리액터(Bioreactor)라고 불리는 대형 배양기에서 이루어집니다. 세포들은 아미노산, 비타민, 미네랄, 성장인자, 탄수화물 등 동물의 몸속 환경과 유사하게 구성된 배지(Culture Medium) 속에서 빠르게 분열하고 증식합니다. 배양육 생산의 효율성과 경제성을 결정하는 핵심 단계이며, 특히 배지에 사용되는 성장인자와 같은 고가의 성분을 대체하거나 재활용하는 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 초기에는 동물 유래 혈청(FBS)이 배지에 사용되기도 했으나, 최근에는 윤리적 문제와 비용 절감을 위해 식물성 또는 무혈청 배지 개발이 주를 이룹니다4.
충분히 증식된 줄기세포들은 이제 우리가 원하는 '고기'의 형태로 만들어지는 단계에 들어섭니다. 이 단계에서는 특정 성장인자와 환경적 신호를 조절하여 줄기세포가 근육 세포나 지방 세포로 분화하도록 유도합니다. 분화된 세포들은 3차원적인 고기 조직을 형성하기 위해 스캐폴드(Scaffold)라고 불리는 지지대와 함께 배양될 수 있습니다. 스캐폴드는 세포들이 부착하고 성장하며 실제 고기처럼 섬유질 구조를 형성하는 데 필요한 물리적 뼈대 역할을 합니다. 식용 가능한 식물성 단백질이나 셀룰로스 기반의 생체 적합성 물질이 스캐폴드로 활용되며, 3D 바이오프린팅 기술을 이용하여 원하는 모양과 질감의 고기 구조를 정교하게 만들기도 합니다5.
세포들이 충분히 분화하고 조직화되어 육류로서의 특성을 갖추면, 바이오리액터에서 이를 수확합니다. 수확된 배양육은 최종 소비자에게 제공될 수 있도록 맛, 질감, 색깔, 영양 성분 등을 조절하는 가공 과정을 거칩니다. 다진 고기 형태의 제품부터 시작하여, 점차 통육(whole-cut meat) 형태의 배양육 개발도 활발히 이루어지고 있습니다.
배양육은 종종 식물성 대체육(Plant-based Meat Alternatives)과 혼동되기도 하지만, 이 둘은 근본적으로 다른 개념입니다. 식물성 대체육은 대두, 완두콩, 버섯 등 식물성 재료를 기반으로 고기의 맛과 질감을 모방한 제품(예: 비욘드 미트, 임파서블 푸드)입니다. 이는 채식주의자나 비건들이 육류를 대체하기 위해 주로 소비합니다.
반면 배양육은 동물 세포를 직접 배양하여 만들므로, 영양학적 구성과 분자 수준에서 실제 고기와 거의 비슷하다고 볼 수 있습니다. 즉, 식물성 대체육이 '고기를 흉내 낸 식물'이라면, 배양육은 '도축 과정만 거치지 않은 고기'에 가깝습니다. 이러한 차이점은 맛, 질감, 그리고 요리 시의 특성에서 확연히 드러나며, 배양육이 기존 육류 소비자를 더욱 폭넓게 포섭할 수 있는 잠재력을 가지게 하는 요인입니다.
배양육은 더 이상 과학 소설 속 이야기가 아닙니다. 줄기세포 기술의 발전과 함께 환경 파괴, 동물 복지 문제, 그리고 미래 식량 안보라는 인류의 거대한 숙제에 대한 실질적인 해답으로 현실화되고 있습니다. 살아있는 동물의 세포를 채취하여 영양분 가득한 배지 속에서 증식시키고 조직화하여 고기를 만들어내는 이 혁신적인 과정은, 우리가 수천 년간 이어온 '고기'의 정의를 근본적으로 바꾸고 있습니다.
아직은 상업화를 위한 기술적, 경제적, 규제적 과제들이 남아있지만, 배양육은 이미 미국과 싱가포르에서 판매가 승인되며 식탁에 오르기 시작했습니다. 이는 인류가 지속 가능한 방식으로 단백질을 생산하고 소비할 수 있다는 가능성을 보여주며, 식품 산업뿐만 아니라 사회 전반에 걸쳐 패러다임 변화를 예고하고 있습니다.
1. Gerber, P. J., et al. (2013). *Tackling climate change through livestock: A global assessment of emissions and mitigation opportunities*. Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO).
2. Tuomisto, H. L., & Teixeira de Mattos, M. J. (2011). Environmental impacts of cultured meat production. *Environmental Science & Technology*, 45(14), 6117-6123.
3. Post, M. J. (2012). Cultured meat and the future of sustainable protein. *Proceedings of the National Academy of Sciences*, 109(35), 14028-14032.
4. Bhat, Z. F., et al. (2017). Meat without animals: possibilities and challenges for cultured meat production. *Trends in Food Science & Technology*, 65, 126-136.
5. GFI (Good Food Institute). (2024). *Cultivated Meat: A Primer*. (최신 정보는 GFI 웹사이트에서 확인 가능).
6. Datar, I., & Betti, M. (2010). Possibilities for the in vitro production of poultry meat. *Poultry Science*, 89(2), 405-412.
7. Kadim, I. T., et al. (2015). Cultured meat: A sustainable and ethical solution to animal slaughter. *Journal of Integrative Agriculture*, 14(2), 225-231.
