유도 만능 줄기 세포(iPS Cell) 1탄, 또 다른 줄기세포 바람이 분다

몇 년 전까지 과학계에 ‘배아 줄기 세포’ 연구의 바람이 불며 걷지 못하는 사람을 걷게 하는 것이 실제로 이루어 질 것이란 희망이 싹트기 시작했습니다. 하지만 그것도 잠시, ‘배아 줄기 세포’ 연구의 몇 가지 한계로 그 희망은 수그러들었습니다.
하지만 그 한계에도 불구하고, 과학자들은 계속된 연구와 의지로 새로운 줄기 세포를 만들어 냈는데요, 그것이 바로 오늘 소개드릴 ‘유도 만능 줄기 세포(iPS Cell)’입니다. ‘배아 줄기 세포’를 대체할 ‘유도 만능 줄기 세포(iPS cell)’가 등장하면서 다시금 우리의 희망도 고개를 들고 있는 것이죠.

기존의 ‘배아 줄기 세포’ 연구의 한계

@Image Editor / http://www.flickr.com/photos/11304375@N07/6861660272

도대체 이전의 줄기 세포는 어떤 한계에 부딪혔기에 과학자들이 돌아가는 길을 선택할 수밖에 없었을까요?
배아 줄기 세포는 수정 후 4-5일 정도 후에 형성되는 포배로부터 얻어집니다. 여기서 포배는 어떤 세포로도 분화할 수 있는데요, 특수한 장기로만 분화시키기 위해서는 줄기세포의 분화 방향을 조절하기가 어렵다는 문제점이 있습니다.

그리고 가장 논란이 되고있는 이슈가 있죠? 바로 윤리적인 문제가 따른다는 점입니다. 줄기 세포를 통해 원하는 장기를 만들어 이식할 경우, 환자에게 이식 한 후 면역 거부 반응이 일어나지 않도록 환자의 조직과 동일한 장기를 만들어야합니다. 그러기 위해서 어떻게든 난자를 얻어 환자의 체세포를 치환하는 방식을 사용해야 하는데요, 이렇게 만들어진 수정란은 하나의 사람으로도 분화할 수 있는 가능성이 있기 때문에 생명 존중을 외치는 종교계에서는 거세게 반대하고 있습니다.

이렇듯 ‘배아 줄기 세포’를 연구하던 과학자들은 한계에 부딪혔습니다. ‘배아 줄기 세포’의 문이 거의 닫힌 듯 보이자 과학자들은 다른 쪽 문을 찾기 시작했습니다.

그러던 중, 2006년 일본 교토 대학의 야마나카 연구팀유도 만능 줄기 세포(iPS Cell)에 대한 아이디어를 내어놓게 됩니다.

iPS Cell, 이미 분화한 세포에서 줄기 세포로
유도 만능 줄기 세포(iPS Cell)는 이미 분화한 세포에 몇 가지 인자를 처리하면 세포가 분화되기 전의 상태로 돌아간다는 획기적인 아이디어를 바탕으로 만들어졌습니다. 분화된 세포에 인자를 처리하기 때문에 난자를 이용하는 것과 같은 윤리적인 문제나 면역 거부 반응에 대한 걱정을 할 필요가 없어진 것입니다.

야마나카 교수 @Rubenstein / http://www.flickr.com/photos/rubenstein_/3910666834/

야마나카 연구 팀은 배아 줄기 세포 연구를 바탕으로 유도 만능 줄기 세포(iPS Cell) 연구를 시작했습니다. 배아 줄기 세포에서 많이 발현되는 인자들을 조사하여 먼저 24개의 후보를 꼽고, 그것들이 줄기 세포의 특성을 띄도록 할 것이라는 가설을 세웠습니다. 그리고는 24개의 후보에서부터 10개, 4개로 그 폭을 줄여 최종적으로 4개의 인자가 처리되었을 때 배아 줄기 세포와 가장 유사한 성질을 나타낸다는 사실을 밝혀냈습니다.

이렇게 줄기 세포를 만들어내는 궁극적인 목적은 질병을 치료하는 것이기 때문에, 질병 치료에 어떻게 이용할 것인가가 가장 중요한 문제입니다.
유도 만능 줄기 세포(iPS Cell)를 만들어 낸 후, 크게 두 가지 방법으로 치료에 이용할 수 있습니다. 첫 번째로, 환자에게서 얻어낸 유도 만능 줄기 세포(iPS Cell)를 이용하여 환자에게 꼭 맞는 치료약을 찾아내는 것입니다. 먼저 환자에게 맞는 유도 만능 줄기 세포(iPS Cell)를 실험실에서 배양하며 분화시키고 나서 환자에게 나타났던 질병과 관련된 여러 가지 약물을 처리 해 봄으로써 환자에게 꼭 맞는 약을 찾아내는 것입니다.
두 번째 방법은 우리가 잘 알고 있는 치료 방법, 바로 이식입니다. 환자로부터 만들어낸 유도 만능 줄기 세포(iPS Cell)를 정상적인 세포로 키워낸 다음 환자의 몸에 이식하는 것입니다.

위의 두 가지 치료 방법은 이론적으로는 완벽하지만 이와 관련해서도 아직 현실에서는 몇 가지의 해결해야 할 문제점들이 있었습니다. 먼저 줄기 세포는 계속해서 분열할 수 있는 능력을 갖기 때문에 우리 몸에 이식하였을 경우 계속해서 분열하는 암세포를 만들 수 있습니다. 못 걷던 사람을 걷게 만드는데 성공했지만 암이 생겨버린다면, 아무런 소용이 없겠죠? 또, 4가지 인자를 처리하면서 염색체에 돌연변이가 생길 수 있습니다. 염색체에 이상이 생기는 것 또한 예상하지 못한 질병이 뒤따를 수 있으므로 아주 위험한 문제이지요.
(하지만 최근 이러한 기존의 유도 만능 줄기 세포의 문제점을 개선할 수 있는 연구가 나와 눈길을 끌고 있습니다. 이와 관련되서는 2탄에서 자세히 소개해드리도록 하겠습니다.)

이처럼 아직 유도 만능 줄기 세포(iPS Cell)도 완벽하지 않은 모습을 하고 있지만, 질병의 치료에 효과적으로 쓰이기 위해 그 모습을 조금씩 다듬어가고 있습니다. 배아 줄기 세포 연구의 바람이 불던 때 많은 사람들이 희망을 가졌던 것처럼 이번엔 유도 만능 줄기 세포(iPS Cell)에 많은 사람들이 희망을 가지고 있는데요, 이번만큼은 꼭. 유도 만능 줄기 세포(iPS Cell)를 이용한 치료가 실현되길 간절하게 바라며 이번 기사 마무리 하겠습니다.

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굿가이(Goodguy)

우리 생활 속 과학이야기

스타크래프트 과학공부 3탄, 기적의 치료사 편

안녕하세요. 국가과학기술위원회 블로그 기자단 2기 최형일입니다.
오랜만에 다시 스타크래프트 속 과학이야기를 들고 찾아왔습니다. 오늘 소개해드릴 내용은 스타크래프트 속 기적의 치료사들의 이야기인데요, 지난 1월 마린의 스팀팩과 저글링의 아드레날글랜즈(http://nstckorea.tistory.com/203), 8월 제2탄, 테란의 과학유닛인 사이언스 베슬(http://nstckorea.tistory.com/469)에 이은 3번째 시리즈입니다.

게임 속 캐릭터를 통해 과학적 요소들을 찾아보는 스타크래프트 시리즈~


기적의 치료사

스타크래프트 게임에는 프로토스, 테란, 저그라는 종족이 있습니다. 각 종족에는 치료의 기능이 있는데요, 테란에게는 메딕의 힐, 저그에게는 자동 재생능력, 프로토스에게는 쉴드 복구 능력이 바로 그것입니다. 전장의 천사 메딕(Medic)은 공격력은 전혀 없음에도 테란의 꽃일 뿐만 아니라 강력한 구세주의 역할을 합니다. 아마도 부상당한 마린과 불곰의 체력을 회복시켜주는 치료능력 때문일 텐데요, 이와 달리 저그는 메딕과 같은 치료사 없이 자동으로 재생됩니다. 프로토스는 체력이 자동 재생되는 것은 아니지만 보호막인 쉴드는 복구됩니다. 그렇다면 이런 재생 능력들은 어떻게 가능한 것일까요?

1. 저그의 재생기능

여왕이 해처리를 재생시키는 장면

우리가 살고 있는 자연세계는 전쟁의 연속입니다. 생물들은 생존을 위해 끊임없이 투쟁을 하며 이로 인해 수많은 부상을 입기도 합니다. 만약 재생기능이 없다면 생물들에게 부상은 곧 죽음을 의미하는 것일테죠.

모든 생물체들은 항상 자신의 몸을 일정한 상태로 유지하려고 하는 ‘항상성’을 가지고 있습니다. 조그만 부상이나 질병의 경우 별도의 치료 없이도 원상복구가 되는 것을 자연치유라고 합니다. 모든 생물들은 이러한 자연 치유능력을 가지고 있는데요. 저그 또한 이와 같은 원리로 재생기능을 한다고 볼 수 있습니다. 따지자면 저그뿐만 아니라 테란인 인간들도 이런 재생기능을 다 가지고 있는 셈이죠. 하지만 끝도 없이 ‘해처리’(저그의 주 건물)에서 쏟아져 나오는 저그의 유닛들은 하루에도 수도 없이 죽어 없어지는 세포를 다시 재생해내는 놀라운 능력을 가지고 있어야 합니다. 우리의 골수도 지금 이 순간에도 쉴 새 없이 혈구세포들을 만들어 내며, 오래된 혈구 세포들을 파괴하는 것과 같이 말이죠. 이것은 체세포 분열과정으로 설명될 수 있는 원리입니다.

2. 메딕의 힐

메딕의 힐은 마린 부대의 생존율을 크게 높이고, 체력을 복구하는 역할을 합니다. 그렇기에 메딕의 힐을 뒤에 두고 전장을 향해 돌진하는 마린들은 정말 무서운 공격력과 불멸의 힘을 보여줍니다. 물론 현실에서는 당연히 불가능한 일이죠!! 전쟁에서도 의무병을 메딕(Medic)이라고 부릅니다. 현실전쟁에서는 부상을 당했을 시 의무병이 달려가 치료를 하는데요. 부상여부에 따라 전장에서의 응급처치 속도는 달라집니다. 하지만 게임속의 메딕은 단 몇 초 만에 체력이 바닥난 마린을 복구시킵니다. 이러한 것이 가능하기 위해서는 메딕이 마린 몸의 세포들이 빠르게 세포 분열할 수 있게 하는 능력을 가지고 있어야 합니다. 그러나 아무리 그런 능력을 가지고 있다고 해도 팔이나 다리와 같은 절단은 절대 그렇게 할 수 없는 일입니다.

메딕이 마린을 치료하고 있는 모습

현실로 돌아와 볼까요? 인간의 경우는 아니지만, 곤충이나 편형동물, 강장동물, 극피동물, 양서류, 파충류들은 사지가 절단되어도 다시 재생이 가능합니다. 물론, 몇 초 만에 재생은 불가능해도 오랜 시간에 걸쳐 재생되는 것은 가능한 일입니다.
도마뱀 같은 경우를 보면 꼬리가 잘렸을 시 며칠 뒤면 꼬리가 다시 재생되며, 다리가 잘려도 며칠 뒤에 다리가 다시 자라나 있습니다. 어떤 도마뱀은 뇌가 잘려도 재생된다고 하니 정말 놀라운 일이죠. 인간에게도 저런 능력이 있다면 죽음이라는 것도 두렵지 않겠죠?

물론 인간재생을 꿈꾸는 과학자들도 있습니다. KIST 연구원들은 손상된 인체 조직이나 장기의 기능을 복원시키는 '생체치료' 기술개발을 위해 노력하고 있다고 하죠. 의공학연구소 생체재료연구단에서는 인공적 소재를 가지고 생체기능을 복원해주는 연구환자의 세포를 따로 뽑아 세포를 키운 후 환자의 부족한 부분(간이나 뼈 등 생체조직)을 재생시켜주는 연구를 중심적으로 하고 있다고 합니다.

3. 프로토스의 쉴드

프로토스
는 과학기술이 매우 발전한 종족입니다. 특히 ‘쉴드’ 기능은 별것 아닌 것 같아 보이지만, 그 실체를 알고 보면 매우 놀라운 기술에 속합니다. 쉴드는 말 그대로 방패기능으로, 이것 자체로는 별로 놀라운 것이 아닙니다. 진짜 놀라운 것은 쉴드가 시간이 지나면 복구된다는 것이죠. 게임에서 보이는 에너지 장막은 사실상 현실적으로는 가능성이 없어 보이지만 갑옷이나 외부 장갑을 강화하는 일은 기술적으로 가능하다고 합니다. 그것은 바로 자기조직화(Self-organization)라고 하는 생물의 재생기능입니다.

프로토스가 쉴드 방어막을 유령이 EMP로 저지하고 있다

우리 몸에 상처가 나면 대뇌에서 어떤 특별한 명령을 보내서 치료하는 것이 아니라 상처주변의 세포들이 자발적으로 재생해 내는 것인데요. 이렇게 놀라운 기술을 우리도 이제 할 수 있는 길이 열리고 있습니다. 바로 ‘나노기술’을 통해서입니다. 나노로봇은 미래 의학에 혁신적인 역할을 할 것이라고 보는 이들이 많습니다. 혈관 속으로 나노로봇들이 돌아다니며 질병을 치료할 수 있고 병이 들어 손상된 세포를 치료하여 난치병이나 노화의 굴레에서도 벗어나게 할 수 있을지도 모릅니다. 이러한 나노로봇 기술과 큰 분자를 작은 분자로 쪼개어 몸의 구성성분으로 만들어 나가는 분자조립기술이 합쳐진다면 프로토스의 쉴드 복구와 같은 능력을 실현할 수 있는 것이죠. 과학의 세계는 참으로 놀랍지 않은가요?

4. 재생의학의 현주소

현재 재생의학에 대한 관심은 나날이 급증하고 있습니다. 인간은 항상 세포에 손상을 입고 있습니다. 팔, 다리가 절단되거나 신경이 끊어져 마비가 온다거나 하는 이런 질병들은 복구가 어려운 질병들입니다. 하여 전세계 의학도들이 재생의학의 발전에 노력을 기울이고 있습니다.

몇 년 전에는 줄기세포가 큰 이슈로 떠오르게 되었는데요. 줄기세포는 미분화 세포로 신경세포나 혈구세포, 골수세포, 각막세포, 근육세포등 수많은 세포들로 변할 수 있는 능력을 가지고 있습니다. 하지만 이 줄기세포 중에 배아줄기세포는 윤리적 문제가 크게 작용하고 있습니다. 배아 또한 하나의 생명체로 종교계에서는 주장하고 있기 때문이죠. 해서 성체줄기세포를 이용하고 있지만 성체줄기세포는 배아줄기세포와 다르게 세포분화속도가 매우 느립니다.

2006년 일본에서는 재생의학의 한 획을 그은 사건이 터지는데요. 바로 ‘iPS 세포’입니다. iPS 세포는 ‘Induced Pluripotent Stem Cell’의 약자로써 직역하자면 유도만능줄기세포입니다. 이 세포는 우리 몸 체세포의 DNA를 재조합하여 줄기세포로 다시 포맷, 즉 본래의 배아줄기세포단계로 되돌리는 기술입니다. 이것은 자기 체세포를 이용하기 때문에 윤리적 문제 또한 없으며 배아줄기세포와 같은 능력을 가지고 있어 분화속도도 빠릅니다. 앞으로 이러한 줄기세포 연구들이 위에서 말한 뛰어난 재생능력을 실현하게 될 것입니다. iPS 세포에 관해서는 조만간 다시 자세히 다뤄보도록 하겠습니다.

재생의학이 계속 발전하여 더 이상의 부상과 상처 걱정 없이 살 수 있는 첨단 미래의 시대를 기대해 봅니다.  
 

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