먹고 성장하고 번식하며 경쟁하는 생명 세포 합성 성공

5~10세대 걸쳐 생명 활동 지속하는 세포

생명 관한 근본적 질문 해답 제시 가능성

의약품 개발, 독성 화학물질 생산도 가능

라이트 형제의 비행기 발명에 비견되는 일

감자 모양 본따 스퍼드셀(SpudCell)로 명명

[서울=뉴시스]미 미네소타대 연구팀이 최초로 합성해낸 생명 세포 스퍼드셀(SpudCell; 왼쪽)의 현미경 사진. (출처=아다말라 연구소) 2026.7.1.  *재판매 및 DB 금지

[서울=뉴시스] 강영진 기자 = 미국의 과학자들이 먹고 자라고 번식하며 먹이 경쟁을 벌이는 등 생명활동을 하는 세포를 합성하는데 최초로 성공했다고 미 뉴욕타임스(NYT)가 1일(현지시각) 보도했다.

NYT는 합성된 세포가 완전히 살아있다고 말할 수는 없지만 생명의 특성 대부분을 갖추고 있다면서 자연 세포로는 알 수 없는 생명에 관한 새로운 사실들, 예컨대 최소한의 생명 형태에 필요한 유전자 수가 얼마나 되는 지와 같은 근본적 질문에 답을 줄 수 있을 것으로 기대된다고 평가했다.

NYT는 또 합성 세포가 궁극적으로 자연 세포가 할 수 없는 일, 예컨대 새로운 의약품을 만들거나 대기 중 이산화탄소를 대량으로 흡수하는 일 등을 할 수 있도록 공학적으로 설계될 수도 있으며 수많은 종류의 새로운 단백질과 로켓 연료와 같은 독성 화학 물질도 대량으로 생산할 수 있을 것으로 전망했다.

우리가 알고 있는 생명의 문제점은 바로 불가사의하고 복잡하게 뒤얽혀 있다는 점이다. 인간의 DNA만 해도 수만 개의 유전자와 그 유전자들을 켜고 끄는 수백만 개의 분자 스위치가 들어 있다. 과학자들은 그 DNA 조각들 중 많은 부분이 무슨 역할을 하는지 거의 파악하지 못하고 있다. 잘 이해한다고 생각했던 유전자가 예상치 못한 다른 역할을 수행하고 있는 경우도 많다.

유전자 대부분의 역할 아직 파악 못해

이 복잡성을 우회하는 한 가지 방법은 단순화하는 것이다.

미 미네소타대 연구팀이 1일 수십 가지 재료를 혼합해 먹고, 자라고, 번식하며 먹이 경쟁을 하는 단순한 세포를 합성하는데 성공했다고 발표했다.

연구를 이끈 합성생물학자 케이트 아다말라는 "생명은 이분법적이지 않다"면서 "따라서 이것을 '살아있다'고 부르기가 망설여진다. 그런 명확한 경계선은 존재하지 않는다“고 말했다.

아다말라는 감자 같이 생긴 자신의 창조물을 스퍼드셀(SpudCell)이라고 명명했다. spud는 감자를 뜻한다.

그는 특허를 출원하는 대신 스탠퍼드대 합성생물학자 드루 엔디와 함께 스퍼드셀을 더욱 완전한 생명체로 발전시키고 새로운 종류의 실험에 적용하는 데 초점을 맞출 과학자 공동체 바이오틱을 조직하고 있다.

엔디는 앞으로 10년간 이 사업에 수억 달러가 투입될 것으로 추산한다. 수백 명의 과학자가 참여할 것으로 예상된다.

이 연구에 참여하지 않은 미주리대 계산생물학자 로재나 지아는 "이 순간이 영원히 기억될 것"이라고 말했다.

아다말라와 동료들은 연구 내용을 담은 190쪽 분량의 논문을 온라인에 게재했다. 이 연구는 현재 학술지 게재를 위한 심사를 받고 있다.

생명체 합성으로 유전자 복잡성 우회

1990년대에 작고한 생물학자 크레이그 벤터가 이끄는 팀이 1000개 미만의 유전자를 가진 미생물을 연구하기 시작했다. 현재 크레이그 벤터 연구소의 합성생물학자 존 글라스가 이끄는 팀이 해당 미생물의 유전체를 525개의 필수 유전자로 축소하는 데 성공했다.

글라스의 연구팀은 2016년 논문에서 그 유전자들의 3분의 1이 어떤 역할을 하는지 알 수 없다고 밝혔다. 글라스와 동료들은 지난 10년간 이 수수께끼를 풀기 위해 노력해왔지만, 아직도 그 중 56개의 역할을 밝혀내지 못하고 있다.

다른 연구자들은 반대 방향에서 이 문제에 접근했다. 하향식이 아닌 상향식으로 접근해, 생명이 없는 분자들을 결합해 살아있는 세포를 만들어내려 한 것이다.

1990년대부터 여러 연구실이 이 문제의 작은 부분들을 해결해왔다. 일부는 기름 성분 분자로 속이 빈 기포를 만드는 방법을 완성했다. 다른 연구팀들은 그 기포 안에 단순한 유전 분자를 넣는 방법을 찾아냈다.

그러나 과학자들은 이 조각들을 더 복잡한 시스템으로 조합하는 데 어려움을 겪었고, 세포라고 부를 수 있는 무언가를 만드는 것은 더더욱 힘든 일이었다.

아다말라는 최근 몇 년 동안 세포 분열이라는 근본적인 과제 중 하나에 도전했다. 자연 세포는 내벽에 고정된 고리 형태로 결합하는 단백질의 도움을 받아 분열한다. 고리는 점점 조여들며 세포를 둘로 쪼갠다.

다른 단백질들은 DNA와 다른 분자들을 새로 형성되는 세포 안으로 이동시키고, 생존에 필요한 성분들을 갖추도록 한다.

연구팀은 단백질을 막에 붙이면 막이 휘어지는 압력이 생긴다는 사실을 발견했다. 아다말라와 연구팀은 주변에 떠다니는 단백질을 포획할 수 있는 기포를 만들었다. 기포가 단백질을 충분히 모으면, 표면이 안쪽으로 휘어지다가 둘로 쪼개졌다.

아이디어 자체는 단순했지만, 실험실에서 이를 구현하는 데는 1년 동안 실험이 필요했다. "하지만 일단 작동하면, 계속 작동한다"고 아다말라는 말했다.

단백질 붙잡으면 분열하는 지방 기포 특성 이용

이 성공을 계기로 연구팀은 합성 세포 전체를 만들어보기로 했다.

첫 번째 단계는 세포가 작동하는 데 필요한 분자들로 이루어진 배양액을 만드는 것이었다. 최종 조합에는 유전자에서 새로운 단백질을 만드는 것과 같은 핵심 화학 반응에 필요한 약 100종류의 단백질과 단순 분자들이 포함됐다.

연구진은 또한 바이러스와 어디서나 볼 수 있는 미생물인 대장균(Escherichia coli)에서 빌려온 유전자를 합성 세포에 제공했다. DNA 복제 같은 기본적인 역할을 담당하는 유전자 36개를 선택했다.

이 재료들을 혼합액으로 섞은 뒤 과학자들은 막의 구성 요소를 추가했다. 이들은 자발적으로 결합해 기포를 형성하며, 각각의 기포는 혼합액 일부를 품었다.

이 기포들 중 다수가 유전자, 단백질 및 기타 분자들의 적절한 조합을 감싸게 됐고, 실제 세포에서 볼 수 있는 화학 반응을 수행하기 시작했다.

새로운 세포들이 플라스크 안에 떠다니는 동안, 아다말라와 동료들은 먹이를 공급했다. 세포들은 표면의 통로를 통해 작은 먹이 분자들을 흡수했다.

과학자들은 또한 통로를 통과하기에는 너무 큰 단백질과 기타 분자들이 가득 찬 작은 기포들도 넣었다. 세포는 이 기포들 중 하나와 부딪혀 융합함으로써 그 안에 있는 먹이를 섭취할 수 있었다.

세포들은 먹이를 먹으며 성장했다. 그리고 불과 몇 시간 만에 분열할 만큼 충분히 커졌다.

과학자들은 플라스크에 특수 단백질을 추가했는데, 이 단백질은 세포 표면에 달라붙어 세포를 안쪽으로 휘어지게 했다. 세포가 둘로 나뉘면, 새로 생긴 한 쌍의 세포는 계속 성장했다.

합성 세포들 초보적 진화 능력도

이제 스퍼드셀은 성장하고, 먹이를 먹고, 번식했다. 그리고 알고 보니 세포들은 초보적인 진화 능력까지 갖추고 있었다.

아다말라와 동료들은 주변에 떠다니는 먹이가 가득 찬 기포에 더 단단히 결합하는 돌연변이 버전을 만들었고 원래의 스퍼드셀과 돌연변이 스퍼드셀을 50대 50으로 섞었다.

세포들은 5세대 동안 먹이를 놓고 경쟁했다. 결국 돌연변이 세포가 원래 세포보다 수가 많아졌는데, 이는 돌연변이 세포들이 먹이 경쟁에서 원래 세포들을 앞서고 있음을 시사한다.

이 점이 이번 연구가 세상을 뒤흔들 성과로 평가된다. 과학자들은 다양한 합성 세포들을 서로 경쟁시켜 더 정교한 세포를 빠르게 개발할 수 있게 될 것이다.

그러나 스퍼드셀에는 아직 몇 가지 중요한 한계가 있다. 우선 새로운 단백질을 생산하는 분자 공장인 리보솜(ribosome, 세포 내 단백질 합성 기관)을 스스로 만들지 못한다. 세포들은 리보솜을 만드는 데 필요한 모든 유전자를 갖춘 상태에서도 알 수 없는 이유로 구성 요소들이 결합하지 않는다.

현재로서는 아다말라와 동료들이 스퍼드셀에 미리 만들어진 리보솜을 계속 공급해야 하지만 이에도 한계가 있다. 스퍼드셀은 5~10세대 동안 단백질을 계속 만들 수 있지만, 리보솜이 손상되면 기능을 멈춘다.

아다말라는 자신의 연구실에서 약 하루 만에 새로운 스퍼드셀을 만들어낼 수 있다. 하지만 그것은 정제된 단백질로 가득 찬 냉동고와 자신의 조합법의 각 단계에 대한 깊은 이해가 있기 때문에 가능한 일이다. 바이오틱은 과학자들에게 더 간편한 조합법과 필요한 재료를 제공할 계획이다.

엔디는 공개 소스 도구들이 과학자들의 협력을 장려해, 스스로 리보솜을 만들거나 무한정 분열하는 능력 등 생명을 정의하는 특성을 더 많이 갖춘 새로운 종류의 스퍼드셀을 만드는 데 힘을 모을 수 있기를 바란다.

바이오틱 연구자들은 오는 9월 필라델피아에서 첫 번째 회의를 계획하고 있다. 이번 연구 분야를 보호하기 위한 계획을 공식화하는 것이 그들의 최우선 과제 중 하나가 될 것이다.

장기 생존 가능한 새 세포 무기 제조 활용 위험

현재 합성 세포는 특수한 실험실 먹이로 불과 몇 세대밖에 생존하지 못한다.

하지만 언젠가 누군가가 스퍼드셀을 장기 생존할 수 있는 세포로 발전시킨 뒤 비윤리적으로, 심지어 무기 제조에 사용할 가능성도 제기된다.

엔디는 공개 소스 연구 공동체가 그런 일이 일어나는 것을 막는 데 더 잘 대비할 수 있을 것이라고 주장한다.

엔디는 스퍼드셀을 1903년 라이트 형제가 개발한 최초의 비행기 라이트 플라이어에 비유한다.

그는 "라이트 플라이어가 12초 비행한 것이 보잉 737을 탄생시킨 것은 아니다. 다만 시작일 뿐"이라고 말했다.


◎공감언론 뉴시스 [email protected]