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미 연구진, 인간 줄기세포로 소형 장기 생산하는 로봇 개발
2018-05-28 10:04:27
강민경
▲로봇 자동화 시스템(출처=픽사베이)

[리서치페이퍼=강민경 기자] 워싱턴대학 의과대학 연구진이 인간의 줄기세포에서 소형 장기를 생산하는 데 사용될 로봇 자동화 시스템을 만들었다. 이것은 마치 미래의 가상현실을 그린 HBO의 드라마 시리즈 '웨스트월드'의 한 장면같지만 놀랍게도 현실이다.

줄기세포에서 유기체로

생물 의학 연구를 위해 세포를 성장시키는 일반적인 방법은 평평한 2차원 시트로 세포를 배양하는 것이다. 하지만 이것은 너무 단순화됐기 때문에 세포가 어떻게 행동했는지 재현할 수 없다. 결과적으로 연구진은 소형 장기, 또는 오가노이드 등 복잡한 3차원 구조물을 만들기 위해 줄기 세포를 사용했다. 소형 장기는 기초 기관과 비슷하고 유사한 행동을 한다. 하지만 대량 생산이 어렵다. 로봇 기술이 잠재적으로 크게 활약할 수 있는 응용 분야가 바로 오가노이드의 대량 생산이다.

연구진은 줄기 세포를 오가노이드로 성장시키는 단계를 자동화하는 데 로봇 시스템을 사용했다. 이와 유사한 시스템이 성체 줄기 세포에 성공적으로 사용됐는데, 해당 시스템이 만능 줄기 세포에서 성장하는 오가노이드에 사용된 것은 이번이 처음이다. 이 줄기 세포들은 다목적이며 어떤 종류의 장기로도 성장할 수 있다.

로봇 시스템의 장점

줄기세포는 액체 처리 로봇에 의해 각각 384개의 마이크로웰을 가진 판에 삽입된 다음 21일 동안 신장 오가노이드로 자라도록 유도됐다. 각각의 마이크로웰은 10개 이상의 오가노이드를 포함한다. 즉 한 판에 수천 개의 오가노이드가 포함되는 것이다. 이 로봇은 한 판을 생산하는 데 소요되는 시간을 20분으로 단축할 수 있다.

연구를 이끈 벤자민 프리드먼 교수는 원래대로라면 연구진이 하루 종일 실험실에서 시간을 보내야 하는 과정을 로봇이 지치지도 않고 단시간에 완성할 수 있다고 말했다. 로봇은 소형 장기 생산처럼 반복적이고 힘든 작업을 수행하는 데 매우 적합하다.

연구진은 로봇에게 오가노이드의 각기 다른 세포 종류를 확인하는 단일 세포 RNA 시퀀싱을 훈련시켰다. 연구 결과 오가노이드가 신장을 발달시키는 것처럼 보였지만 이전 배양물에서 특징지어지지 않은 비신장 세포를 포함하고 있다는 것이 발견됐다.

이 연구 결과는 연구진이 오가노이드의 성질을 더 잘 이해할 수 있도록 돕고, 개선점을 만들 수 있는 기준이 됐다. 새로운 시스템을 활용하면 소형 장기의 성장 과정을 변경하고 어떤 변화가 더 나은 결과를 가져오는지 알 수 있다. 예를 들어 연구진은 오가노이드의 혈관 세포 수를 대폭 늘려 그것이 실제 신장처럼 보이도록 만들 수 있는 방법을 발견했다.

▲실험 중인 연구원(출처=123rf)

상염색체 우성 다낭성 신종

다낭포성 신장질환이라고도 불리는 상염색체 우성 다낭성 신종은 좌우 신장에 수많은 낭종(물집)이 발생해 신장 기능 부전으로 이어지는 유전적 질환이다. 연구진은 이 질병을 통제할 약물을 개발하기 위해 오가노이드로 돌연변이가 있는 신장을 생산했다.

연구진은 상염색체 우성 다낭성 신종을 지닌 오가노이드를 여러 물질에 노출시킴으로써 미오신이라는 단백질을 차단하는 블레비스타틴이라는 요소를 찾아냈다. 이때 미오신이 낭포의 수와 크기를 증가시키는 역할을 했다. 이것은 아무도 예상하지 못한 결과였다. 미오신은 근육 수축에서 중요한 역할을 하지만 상염색체 우성 다낭성 신종에서는 별다른 역할을 하지 않는다고 알려져 있었기 때문이다. 즉 연구 결과에 따르면 미오신이 신장의 세관이 팽창 및 수축하는 것을 조절했는데, 이것이 제대로 작동하지 않으면 낭종이 발생하는 것이다.

프리드먼은 새로운 시스템이 기초 연구와 신약 발견 분야에서 소형 장기의 역할을 확장할 잠재력이 있다고 말했다. 그는 이것을 질병과의 전쟁에 맞설 비밀 무기라고 묘사했다.

인간에 근거한 오가노이드 중 가장 많은 논쟁의 대상이 되는 것은 피질조직에서 만들어진 것이다. 피질조직에서 만들어진 소형 두뇌는 신경학 연구 및 약품 임상 실험 등에 사용될 수 있다. 문제는 소형 두뇌가 의식을 가지는지 여부다. 예를 들어 인간이 개발한 소형 두뇌의 크기가 점점 커지고 복잡해져서 의식을 갖게 되면, 이 소형 두뇌가 실험 도중 고통을 느낄지도 모른다. 이런 일이 실제로 발생한다면 정말로 드라마 웨스트월드와 같은 상황이 벌어질지도 모른다. 웨스트월드는 인간들의 노리개로 쓰이던 로봇들이 반란을 일으키는 내용을 담고 있다.

이 연구 결과는 줄기세포저널에 온라인으로 게재될 예정이다.

[researchpaper 리서치페이퍼=강민경 기자]

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