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[표지로 읽는 과학] 분자에 주목하라 '보텀업 세포생물학’

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[표지로 읽는 과학] 분자에 주목하라 '보텀업 세포생물학’

2018.11.11 15:52
네이처 제공
네이처 제공

국제학술지 ‘네이처’는 8일 사람들이 세포 소기관과 유기분자, DNA 등을 거대 영사기에 넣고 있는 모습을 표지로 실었다. 영사기 밑에서 넣은 세포의 구성요소들은 빛을 받아 스크린 위에 영화 장면이 비치듯 암흑을 뚫고 크게 확대돼 주변을 비추고 있다. 최근 과학계는 세포를 구성하는 기본 단위에서 시작해 세포 하나를 완성해나가며 생명체의 다양한 현상을 연구하는 ‘상향식(Bottom Up·보텀업)세포생물학’에 주목하고 있다.

 

네이처는 세포막이나 리보솜, 미토콘드리아 같은 세포 소기관의 유사체를 만들고 연구하는 것부터 의료 목적의 활용에 이르기까지 최근 새롭게 떠오른 보텀업 세포생물학을 특집으로 다뤘다. 네이처는 “세포는 개념적으로도 완벽히 분해될 수 없고, 분해하기에는 너무 복잡하고 정교하다”며 “이제 과학자들은 새로운 방식으로 세포를 연구하고 있다”고 소개했다.

 

기존에는 세포의 기능과 작동 기전을 연구할 때 기관에서 조직으로, 조직에서 세포로 다시 세포에서 세포를 구성하는 요소들을 단순화하거나 분해해 나가는 하향식으로 접근했다. 하지만 최근 생명공학 기술이 발달하면서 인공적으로 세포를 밑단에서부터 재구성할 수 있게 됐고, 이런 상향식 접근을 통해 이전에는 밝혀내지 못했던 복잡한 생명현상의 단서를 찾을 수 있으리란 기대가 있다.

 

인공세포를 만들기 위한 과학자들의 노력은 20년 전부터 이어져 왔다. 대표적인 것이 다공성 인공 세포막이다. 신약 후보물질이나 독성물질이 생체에 미치는 영향을 평가하고 암 전이 과정을 규명하는 데 활용할 수 있다. 그 밖에도 유전자를 세포핵에 연결해 유전질환 연구에 활용할 수 있는 인공 세포핵, 생식 연구에 활용되는 인공 난자가 있다.
 

상향식 세포생물학의 개념도. 세포를 구성하는 가장 작은 단위부터 시작해 인공으로 세포를 완성해나가면서 생체 작용을 연구하는 분야다. - 자료: 네이처
상향식 세포생물학의 개념도. 세포를 구성하는 가장 작은 단위부터 시작해 인공으로 세포를 완성해나가면서 생체 작용을 연구하는 분야다. - 자료: 네이처

2016년에는 미국 크레이그벤터연구소가 생명체가 살아가는 데 필요한 최소한의 유전자로 구성된 인공생명체 ‘JCVI-syn3.0’을 합성하는 데 성공했다고 국제학술지 ‘사이언스’에 발표하기도 했다. 아데닌(A)과 구아닌(G), 티민(T) 시토신(C) 등 4종류의 염기를 이용해 만든 DNA 분자를 박테리아에 넣어 유전자 473개, 염기쌍 53만1000개를 가진 단세포 인공생명체를 만든 것이다.

 

올해 5월에는 서강대와 성균관대, 미국 하버드대 등 한미 연구진이 광합성으로 생체에너지(ATP)를 생산하고 대사 활동을 하는 인공세포를 만드는 데 성공했다. 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 바이오테크놀로지’에 실렸다. 실제 세포처럼 세포의 내·외부 환경에 따라 항상성을 유지할 수 있어 식물 세포 연구의 새로운 지평을 열었다는 평가를 받았다.

 

지난해 네덜란드에서는 10년 내 스스로 성장하고 세포 분열을 할 수 있는 인공세포를 만드는 것을 목표로 ‘합성세포(BaaSyc)’ 프로젝트를 출범했다. 올해 9월 미국 국립과학재단은 1000만 달러 규모의 합성세포 프로젝트를 발표했다. 유럽위원회(EC) 역시 합성세포를 위한 새로운 연구 과제를 준비 중이다.

 

다만 페트라 쉴레 독일 막스플랑크생화학연구소 연구원은 “상향식 세포생물학은 상향식과 하향식을 모두 활용하는 합성생물학보다 더 좁은 분야로 모든 부분을 인공적으로 만들어나가며 세포를 연구하는 것을 의미한다”며 “윤리적인 부분에 대한 논의도 함께 필요하다”고 설명했다. 메튜 굿 미국 펜실베이니아대 교수는 “일각에서는 상향식 생물학이 너무 비효율적이라는 비판도 있다”며 “또 실제 세포 시스템을 완벽하게 모사할 수 없다는 점에서 자연적으로 만들어진 세포와 기능이 얼마든지 달라질 수 있다는 맹점도 있다”고 지적했다.

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