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이웃집과학자

'미니 뇌' 제작 성공

By 이웃집과학자 x 비즈니스북스

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뇌를 만들었다고?!

출처AdobeStock

작은 인간을 만드는 일은 불가능합니다. 다만 과학자들은 인간의 장기와 유사한 '인공 장기'를 만들고 있는데요. 미국의 과학자들이 '미니 뇌'를 개발했습니다. 연구진이 만든 미니 뇌는 인간 뇌 조직과 유사하게 작동한다고 하는데요. 이른바 '오가노이드(Orgarnoid)'입니다.

오가노이드?

인간의 장기와 유사한 장기를 만든다?

출처pixabay

지난 10여년 간 과학자들은 사람의 피부와 소화 기관 등을 모방한 '유사 신체 장기' 오가노이드를 만들어왔습니다. 오가노이드는 배아줄기세포, 성체줄기세포 등을 배양하거나 재조합해 만든 3차원 형태의 장기 유사체입니다. 인조 장기, 미니 장기라고도 부르죠. 오가노이드는 실제 장기의 구조와 기능을 재현합니다. 덕분에 신약 개발과 질병 치료, 인공장기 개발 등에 폭넓게 활용되고 있습니다.

현재까지 개발된 오가노이드를 정리하면 2009년 네덜란드의 한스클레버 박사팀이 성체 장관 줄기세포로부터 장관 오가노이드를 제작한 것을 시작으로 다양한 오가노이드가 제작됐습니다. 심장, 위, 간, 피부 등이 대표적입니다.

유도다능성줄기세포(iPS세포)를 배양해 만든 연골 세포를 이식했다.

출처일본 도쿄대·교토대 공동 연구진
미니 뇌, 어떻게 만들었나

지난 8월 캘리포니아대학교의 생물학자 앨리슨 무오트리의 연구진이 미숙아 수준의 미니 뇌를 개발했습니다. 연구진이 개발한 오가노이드는 조직이나 구조, 전기 신호 등에서 인간 뇌 조직과 유사하게 작동합니다. 다만 이번에 제작한 미니 뇌는 발달 궤적에서 태아의 뇌를 모방한 겁니다. 인간 뇌처럼 '사고'하거나 '의식' 할 수는 없습니다.

연구진은 줄기세포를 오가노이드로 성장시키기 위해 유도만능줄기세포를 사용했습니다. 연구진은 유도만능줄기세포를 뇌의 부위 중 하나인 피질로 발달시켰는데요. 그 다음 연구진은 '전사조절인자'를 이용해 오가노이드를 '미니 뇌'로 키웠습니다.

※유도만능줄기세포?

특정한 유전자를 인위적으로 발현시켜 비만능 세포인 성체체세포를 유도해 인공적으로 만든 줄기세포를 말합니다.

※전사조절인자?

진핵생물의 DNA에는 유전자마다 각각의 프로모터가 존재합니다. RNA 중합효소는 스스로 프로모터에 결합하지 못합니다.

전사조절인자는 전사촉진인자와 전사억제인자로 나뉩니다. RNA 중합효소는 전사조절인자의 종류에 따라 전사 여부를 결정할 수 있습니다.

페트리 접시 속의 미니 뇌들.

출처University of California

연구진이 개발한 미니 뇌는 인간의 뇌보다 100만배 작습니다. 연구진은 2개월만에 이 작은 오가노이드에서 뇌파를 감지하기 시작했습니다. 배양된 뇌 오가노이드는 미성숙한 인간의 뇌와 같은 주파수를 가지며 신호는 희미했습니다. 미니 뇌는 시간이 지남에 따라 다른 주파수로 뇌파를 발생시켰고 신호도 좀더 규칙적으로 나타났습니다. 이는 오가노이드가 성장하면서 신경망을 좀 더 발달시켰기 때문입니다.

이번 연구에서 연구진은 처음으로 미니 뇌가 성숙함에 따라 고도로 동기화된 신경 진동(뇌파)을 발생시킨다는 사실을 입증했습니다. 이들은 미니 뇌로부터 진동을 측정하기 위해 초소형 전극을 설치했습니다. 미니 뇌가 점진적으로 발달하는 동안 일정한 진동수를 지닌 '뇌파'로 생각되는 전기적 활동을 추적할 수 있었습니다. 이런 신호의 의미를 자세히 알기 위해 연구진은 기계 학습을 사용했습니다. 이 활통 패턴을 24주 미만인 미숙아의 뇌 활동 패턴과 비교했는데요. 그 결과 두 측정치는 네트워크 전기 활동이 나타나는 방식에서 유사성을 보였습니다.

이번 뇌 오가노이드 개발의 특별합니다. 그동안 과학자들은 동물을 연구하면서 자궁 속 태아의 뇌조차도 성숙함에 따라 점차 신경 진동(뇌파)을 생성한다는 점을 알고 있었습니다. 이 뉴런이 보내는 '신호'에 문제가 생길 때 자폐증 정신분열증 같은 질환이 발생하죠. 이런 뇌 연구가 더 이상 진척되기 어려웠던 이유는 실제 태아의 뇌를 지속적으로 모니터링하는 일이 불가능했기 때문입니다.

그런데 이번에 미숙한 부분이 있지만, 그래도 뉴런의 활동을 모방하는 '살아있는 미니 뇌'를 제작함으로써 뇌전증, 조현병 등 질환의 치료와 알츠하이며, 다운증후군을 연구하는 데에도 도움을 줄 수 있을 것으로 기대됩니다.

이번 연구를 주도한 앨리슨 무오트리 박사.

출처University of California

이번 연구를 주도한 앨리슨 무오트리 박사는 "미니 뇌를 모의 실험할수록 동물 실험에 의존할 필요가 줄어들며 사람의 뇌에 진짜 효과가 있는 약물을 찾을 수 있고 실험 비용도 동물 실험보다 1/100 수준으로 줄어들 것"이라고 말했습니다.

대체 뇌, 이대로 괜찮을까

이번 연구로 일단 과학계는 환영하고 있습니다. 이번 뇌 오가노이드 개발은 태아의 뇌 조직에 대한 연구를 대체함으로써 신경학 측면에서 뇌질환이 어떻게 일어나는지 그 원인을 규명할 수 있는 혁신적인 사건으로 평가되고 있습니다. 현재 의식을 클라우드에 업로드하는 기술이 연구될 만큼 뇌과학 연구는 우리의 상상을 뛰어넘는 수준입니다. 이 인공 뇌 기술이 발전을 거듭한다면 먼 미래에 '대체 뇌' 개발도 현실적으로 가능해질 전망입니다.

하지만 윤리적 측면의 문제도 존재합니다. 이 기술이 실험실 접시에서 정교하고 성숙한 인간의 '두뇌'를 만드는 것이 이론적으로 불가능하지 않음을 보여줬기 때문이죠. 미니 뇌 개발 같은 다양한 기술의 향연을 소개하는 책 <세계미래보고서 2020>에는 '인간이 아니라고 확신할 수 있는 뇌의 크기가 얼마인가?'라는 윤리적 화두를 독자들에게 던집니다.

머지 않은 미래가 담겨 있다.

출처비즈니스북스

책 <세계미래보고서 2020>은 가까운 미래에 다가올 다양한 기술들을 사례와 함께 등장시킵니다. 또한 미니 뇌와 DNA 조작과 같은 생명공학 기술을 소개하며 우리들에게 과학 기술의 윤리적 측면에 대해 생각할 여지를 던져줍니다.

##참고자료##


  • 박영숙 <세계미래보고서 2020>. 비즈니스북스(2019).
  • Trujillo, Cleber A., et al. "Complex oscillatory waves emerging from cortical organoids model early human brain network development." Cell stem cell (2019).
  • 박승억 <계몽의 시대와 연금술사 칼리오스트로 백작>. 프로네시스(2006).

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