인공배아 연구의 내비게이션: 3차원 배양 기술과 신호전달 조절

15년 차 연구자가 들려주는 알기 쉬운 줄기세포 이야기

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목차

• 세포에게 생명의 길을 알려주는 '내비게이션'
• 줄기세포에게 길을 알려주다: 3차원 배양 환경의 중요성
  • 3차원 지지체(Scaffolds): 세포의 '집'
  • 부유 배양(Suspension Culture): 자유로운 자기 조직화
• 정확한 타이밍이 생명을 만든다: 신호전달 물질의 역할
  • Wnt, BMP, Nodal: 발생의 마스터 스위치
  • 단계적 신호 조절: 완벽한 오케스트라 지휘
• 기술과 생명의 교차점에서

세포에게 생명의 길을 알려주는 '내비게이션'

안녕하세요,

 

지난 글에서는 줄기세포로 만들어진 인공배아 모델들, 즉 배반포 유사체와 낭배 유사체가 어떤 특징을 가지고 있는지 살펴보았습니다. 그리고 이런 의문이 들 수 있습니다.

 

"아무것도 없는 시험관에서 도대체 어떻게 이 복잡한 배아 구조가 만들어지는 걸까?"

 

이 질문의 실마리는 오늘 이야기할 두 가지 중요한 기술에 있습니다. 생명체의 세포들은 그냥 모여 있는 것처럼 보이지만, 사실은 각자 자리를 찾아가 자신의 역할을 맡고, 서로 신호를 주고받으며 정교한 구조를 만들어 갑니다. 인공배아를 만드는 과정은 바로 이 세포들에게 “어디로 가야 하고, 무엇을 해야 하는지” 알려주는 일과 같습니다.

 

오늘은 세포가 길을 잃지 않고 제 역할을 할 수 있도록 돕는 두 가지 기술,  3차원 배양 기술과 신호전달 물질을 이용한 정교한 조절에 대해 자세히 알아보겠습니다. 이 두 가지 기술이 어떻게 세포에게 길을 안내하는 ‘내비게이션’처럼 작동하는지 살펴보겠습니다.

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줄기세포에게 길을 알려주다: 3차원 배양 환경의 중요성

일반적으로 줄기세포는 2차원 평면인 페트리 접시에서 배양됩니다. 하지만 실제 우리 몸속 세포들은 3차원 공간에서 서로 부딪히고 신호를 주고받으며 복잡한 조직을 만들어냅니다. 따라서 인공배아 연구에서는 세포들에게 몸속과 유사한 3차원 환경을 제공하는 것이 중요합니다.

지지체 기반 배양(왼쪽)과 부유 배양(오른쪽)의 원리를 비교해 보여주는 도식

 3차원 지지체(Scaffolds): 세포의 '집'

3차원 지지체는 세포들이 성장하고 서로 뭉쳐서 구조를 형성할 수 있도록 물리적인 발판을 제공합니다. 이는 마치 건물을 짓기 위해 뼈대를 세우는 것과 같습니다. 이러한 지지체는 오가노이드 연구에서도 자주 활용되는데, 대표적으로 하이드로겔(hydrogel)이 사용됩니다.  

 

하이드로겔은 수분 함량이 높아 세포가 자라기 좋은 환경을 제공하며, 젤라틴이나 마트리겔(Matrigel) 같은 천연 물질이 쓰이기도 합니다. 세포들은 이 지지체 안에서 자유롭게 움직이고, 서로 뭉쳐서 자연 배아처럼 속이 빈 구형 구조를 형성하게 됩니다.

 부유 배양(Suspension Culture): 자유로운 자기 조직화

지지체 없이도 세포를 3차원적으로 키울 수 있는 방법으로는 부유 배양(Suspension Culture)이 있니다. 이 방법은 세포들이 마치 중력을 벗어난 우주 공간처럼 자유롭게 움직이면서 서로 결합하고, 스스로 가장 안정적인 3차원 구조를 찾아가도록 유도합니다.

 

이 과정에서 세포들은 외부에서 강제로 누가 “여기 붙어라”라고 지시하지 않아도, 본래 가지고 있는 발달 프로그램에 따라 뭉치고 분화합니다. 이를 자기 조직화(self-organization)라고 부릅니다.  부유 배양은 지지체가 필요 없어 단순해 보이지만, 실제로는 세포 밀도와 배양액 조성 같은 조건을 세심하게 맞춰줘야만 안정적인 구조가 형성됩니다.

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정확한 타이밍이 생명을 만든다: 신호전달 물질의 역할

세포들에게 3차원 공간을 제공했다면, 이제는 그 안에서 어떤 역할을 해야 할지 알려줘야 합니다. 이 역할을 담당하는 것이 바로 신호전달 물질(Signaling Molecules)입니다. 신호전달 물질은 세포 표면의 수용체에 결합해 세포 내부로 특정 명령을 전달하는 '메신저' 역할을 합니다. 다른 세포로의 분화에서 처럼 인공배아 연구에서도 이 신호전달 물질들을 정확한 농도와 타이밍에 맞춰 처리함으로써 세포들의 운명을 조절합니다.

세포가 3차원 배양 환경과 신호전달의 안내를 받아 스스로 구조를 형성하는 과정을 단계별로 보여주는 흐름도

 Wnt, BMP, Nodal: 발생의 마스터 스위치

배아 발달 과정에는 수많은 신호전달 물질들이 관여하지만, 인공배아 연구에서 특히 중요한 세 가지를 꼽자면 다음과 같습니다.

• Wnt: Wnt 신호는 세포의 증식과 분화를 조절하는 핵심적인 신호입니다. 초기 배아 발달에서 Wnt 신호를 활성화하면 세포들이 신경계로 분화하는 것을 억제하고, 다른 배엽(내배엽, 중배엽)으로 분화하도록 유도합니다.
• BMP (Bone Morphogenetic Protein): BMP 신호는 뼈와 연골 형성 외에도 초기 배아에서 배엽 분화를 조절하는 중요한 역할을 합니다. BMP 신호를 조절하여 외배엽과 중배엽의 형성을 유도할 수 있습니다.
• Nodal: Nodal 신호는 좌우 대칭을 결정하고, 중배엽과 내배엽을 형성하는 데 필수적인 신호입니다. 이 신호가 제대로 전달되지 않으면 배아의 정상적인 발달이 불가능합니다.

연구자들은 이 신호 물질들의 농도를 미세하게 조절함으로써 세포들이 정확한 위치에서 제 역할을 하도록 유도합니다. 예를 들어, 줄기세포를 '낭배 유사체 (gastruloid)'로 만들 때는 먼저 Wnt와 Nodal 신호를 활성화하여 중배엽과 내배엽을 유도하고, 이후 BMP 신호를 조절하여 몸의 축 형성 과정을 재현합니다. 

 단계적 신호 조절: 완벽한 오케스트라 지휘

인공배아 유도의 가장 중요한 기술적 난제는 바로 이 신호 전달을 '순차적'으로, 그리고 '정확한 타이밍'에 맞게 조절하는 것입니다. 마치 오케스트라를 지휘하듯, 연구자들은 특정 신호 물질을 몇 시간 또는 며칠 동안만 처리한 뒤, 다른 신호 물질로 바꿔주는 복잡한 프로토콜을 사용합니다.

 

이 방법들이 성공적으로 수행되어야만 줄기세포가 자연 배아와 유사한 경로를 따라 발달할 수 있습니다. 실제로 2023년 네이처(Nature)에 발표된 연구¹는 이런 단계적 신호 조절의 정밀함이 인간 줄기세포에서 인공배아 구조를 성공적으로 형성하는 데 얼마나 중요한지를 보여주었습니다. 

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기술과 생명의 교차점에서

인공배아 연구는 3차원 환경 설계와 정밀한 신호 조절이 결합된 결과물입니다. 3차원 지지체나 부유 배양을 통해 세포에게 적절한 공간을 제공하고, Wnt·BMP와 같은 신호 물질을 통해 세포의 행동을 안내함으로써, 연구자들은 생명체가 스스로 만들어내는 복잡한 발생 과정을 실험실 안에서 재현하고 있습니다.

 

이러한 기술은 앞으로 우리가 생명의 시작을 더 깊이 이해하고, 선천적 질환의 기원을 밝히며, 새로운 치료법을 탐색하는 데 중요한 도구가 될 것입니다.

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 참고논문

1. Bedzhov, I., & Zernicka-Goetz, M. (2023). Self-organization of human stem cells into a human embryo-like structure. *Nature*, 618(7963), 51-58.

2. Gao, Y., et al. (2022). An in vitro model of human embryonic gastrulation. *Cell Stem Cell*, 29(12), 1735-1748.e8.

3. Akimoto, M., et al. (2021). A mouse embryo model constructed from stem cells. *Nature*, 590(7844), 322-327.

4. Rivron, N. C., et al. (2018). Blastocyst-like structures from mouse embryonic stem cells. *Science*, 360(6390), 919-923.

 

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