줄기세포와 조직공학을 기반으로 고도화된 인공 뇌 구현

과학기술정보통신부와 한국연구재단은 이달의 과학기술인상 3월 수상자로 조승우 연세대학교 생명공학과 교수를 선정했다.

과기정통부와 연구재단은 첨단재생의료 기술 개발에 매진해온 조 교수가 줄기세포와 조직공학을 기반으로 인공 뇌를 구현하고, 뇌를 외부물질로부터 보호하는 혈뇌장벽(blood-brain barrier)을 모사한 장기칩(organ on a chip)을 개발해 난치성 뇌 질환 연구의 지평을 넓힌 공로를 높이 평가했다.

‘인공 뇌’는 뇌 연구를 위해서 줄기세포를 배양하거나 재구성해 만드는 체외 모델이다. 배양 시스템의 한계로 인해 기존 연구는 태아 뇌 수준의 발달 단계에 머물러 있다.

조 교수는 뇌 조직 환경과 유사한 삼차원 배양 매트릭스와 인공 뇌 중심부까지 산소와 영양분을 원활히 공급할 수 있는 핵심 칩을 개발했다. 이를 통해 기존 방식보다 구조적으로 성숙해 신경 기능이 증진된 신생아 뇌 수준의 실험용 인공 뇌 제작에 성공했다.

조 교수는 외부 물질과 병원균을 선택적으로 투과해 뇌를 보호하는 혈뇌장벽을 모사한 장기칩 제작에도 성공했다. 장기의 미세환경을 모사한 장기칩은 실제와 유사한 생체반응을 유도할 수 있어 신약개발에 효과적으로 활용된다.

그간 혈뇌장벽은 구조 및 세포 성분이 복잡하고 투과막의 기능 구현이 어려워 혈뇌장벽 장기칩 개발에 난항을 겪어 왔다. 연구팀은 뇌혈관세포와 신경줄기세포 사이에 혈뇌장벽 장기칩을 구현하고, 뇌 염증을 유발하는 병원성 곰팡이균의 감염 실험을 진행해 균의 뇌 침투 기전 및 관련한 유전자 규명에 성공했다.

다음은 과학기술정보통신부가 조승우 교수와 진행한 인터뷰 일문일답이다.

-과학기술인상 수상을 축하드린다. 소감과 근황 소개를 부탁드린다.

“이달의 과학기술인상을 수상하게 돼 매우 영광이다. 이번 연구를 위해 함께 고생한 연구실 제자들과 공동연구를 함께한 동료 연구자들께 감사의 말씀을 전한다. 최근에도 우리 연구실 학생 및 연구원과 함께 그동안 진행했던 오가노이드 응용연구와 의료용 생체소재 개발 연구를 계속하고 있다. 특히 이 중에서 임상 적용 가능성이 있는 원천기술들의 실용화 연구를 활발히 추진하고 있다.”

-줄기세포, 조직공학, 생체재료, 약물유전자전달 등 생물학과 생명공학의 다양한 주제를 깊이 있게 융합한 연구를 진행해오셨다. 연구의 핵심 키워드는 무엇인가.

“연구의 키워드나 의미를 별도로 생각해 본 적이 없지만, 굳이 말씀 드리면 융합과 중개연구다. 이제 한 분야의 지식과 정보, 기술만으로 혁신적인 바이오 기술을 개발할 수 있는 시대는 지났다. 다학제 분야의 적극적인 융합을 통해서만 기존의 한계를 극복하는 새로운 재생 치료 기술을 개발할 수 있다. 생명공학 기술은 인간에게 유용한 방식으로 적용될 때 의미가 있다고 생각해 원천기술 개발 연구를 진행할 때도 논문 작성뿐만 아니라 특허 출원이 가능한 연구를 지향한다. 권위 있는 학술지에 논문을 싣는 것도 의미 있지만 결국에는 실제로 사람에게 쓰일 수 있는 기술이 가치를 만들고 오래 남는다.”

-응용화학을 전공하면서 줄기세포와 조직재생 연구자의 꿈을 키운 계기가 있다면.

“대학 입학 전부터 생명공학 분야에 관심이 많았다. 학부 전공은 예전의 화학공학에 해당하는 응용화학이었는데, 공대에 진학해서도 바이오 분야와 연계된 강의도 많이 찾아 듣고 공부를 계속했다. 대학원에 진학해서는 석사과정 동안 단백질 공학을 공부했는데 박사 과정을 시작하면서 우연히 접한 줄기세포와 조직공학 연구에 큰 매력을 느꼈다. 유전자, 단백질 수준을 벗어나 세포와 조직 수준에서 난치성 질환 치료에 접근할 수 있다는 점이 매우 큰 장점으로 생각됐다. 박사 과정을 시작한 2000년대 초만 해도 신생 학문이었지만 그만큼 무궁한 가능성이 있다고 생각해 지금까지 계속 공부하고 있다.”

-다양한 학문을 융합해 성과를 창출할 수 있었던 경쟁력은 무엇인가.

“워낙 다양한 분야에 관심을 갖는 성향이 새로운 연구를 시작할 때 도움이 된 것 같다. 또 분야마다 연구 방법이나 연구자들의 성향이 다른데 그런 다름을 유연하게 잘 받아들이는 편이라 원활한 공동연구가 가능했던 것 같다. 하지만 연구에는 특별한 요령이 없다. 세상의 많은 일이 그렇듯 연구 역시 많이 생각하고 고민하며 시간을 투자할수록 더 좋은 성과가 도출되기 마련이다. 지금 사회적 분위기에서는 인정받기 어려운 장점이지만, 생활 자체가 연구와 일 중심으로 돌아가는 덕분에 연구에 많은 시간을 집중할 수 있었다. 한 가지를 덧붙이자면 연구의 효율성을 항상 중요하게 생각하는 것이다. 연구를 진행하는 데 불필요한 일과 시간을 줄이기 위해 선택과 집중에 노력을 기울인다.”

-혈뇌장벽이 구현된 인공 뇌 모델을 체외에서 제작하고 이를 뇌 감염병 모델링에 적용해 많은 주목을 받았다. 주요 내용과 성과를 소개한다면.

“외부 물질과 병원균으로부터 뇌를 보호하는 혈액-뇌 장벽은 뇌 질환 치료를 위한 약물 전달 및 뇌 질환 연구에 있어 매우 중요하지만, 그동안 적절한 체외 모델이 부재했다. 지난해 ‘Nature Biomedical Engineering’ 저널 8월호 표지논문으로 미세한 채널구조를 가진 칩에 뇌 조직을 모사하는 환경을 조성하고 신경줄기세포, 뇌혈관세포를 배양해 실제 혈뇌장벽의 구조와 기능을 모사한 인공 칩 개발 내용을 보고했다. 제작된 혈뇌장벽 칩은 실제와 같은 선택적 투과성과 장벽으로서의 기능성을 보여줬다. 이 혈뇌장벽 칩을 이용해 반용선 교수님 연구실과 공동연구로 뇌수막염 및 뇌염을 유발하는 병원성 곰팡이균의 감염 실험을 진행했다. 균의 뇌 침투 기전과 관련된 유전자를 규명했다. 이는 세계 최초로 곰팡이균의 뇌 감염 모델을 체외에서 구현한 연구로서 의의가 있다. 본 연구의 성과는 향후 뇌 감염증 치료 물질 및 혈뇌장벽을 투과할 수 있는 화합물을 발굴하는 데 활용될 것으로 기대하고 있고, 관련해 후속 연구가 진행 중이다.”

-신생아 수준의 인공 뇌 제작과 뇌 오가노이드 배양 플랫폼 개발도 성공해 뇌질환 관련 난치병 치료의 희망을 보여줬다.

“줄기세포의 분화 및 자가 구조화를 통해 형성되는 뇌 오가노이드는 현재 인간 뇌 연구를 위한 최적의 체외 모델로 주목받고 있으나 배양 시스템의 한계로 아직 대부분의 연구에서 태아 뇌 수준의 발달 단계에 머물러 있는 상황이다. 우리 연구실은 뇌 조직의 미세환경과 유사한 삼차원 배양 매트릭스와 뇌 오가노이드의 중심부까지 원활히 산소와 영양분을 공급할 수 있는 미세유체 칩을 이용해 기존 배양 방식보다 크기가 더욱 크고, 구조가 더 성숙하고, 신경 기능이 증진된 인간 인공 뇌를 제작했다. 관련 연구 결과를 지난해 8월 ‘Nature Communications’ 저널에 논문으로 발표했다. 현재 알츠하이머병, 파킨슨병, 뇌전증 등 다양한 난치성 뇌신경질환 기전을 규명하고 치료제를 발굴하기 위해 관련 배양 기술로 제작한 인간 인공 뇌를 적용하는 후속 연구를 활발히 진행하고 있다.”

-연구과정 중 난관이나 어려움은 무엇이었나.

“연구를 하면서 특별한 고비나 어려움이 없었던 것 같다. 생각해 보면 운이 매우 좋았다. 사실 정성껏 준비해 투고된 논문이 거절되거나 지원한 과제가 선정이 안 된 일 등을 성격상 빨리 잊어버리는 편이다. 그리고 다양한 업무에 참여하다 보면 원하지 않는 상황을 종종 접하게 되는데, 그럴 때마다 일일이 신경 쓰지 않고, 영향을 받지 않으려고 한다. 이처럼 무던한 성향이 지치지 않고 연구를 지속하는 데 도움이 된 것 같다. 꾸준히 하다 보면 의외의 도움도 받게 되고 어려운 일도 자연스럽게 극복되는 경우가 많다. 따라서 학생들에게도 연구는 물론 생활에서도 일희일비하지 말고 꾸준히 노력할 것을 당부하곤 한다.”

-교수님이 궁극적으로 도전하고 싶은 연구 목표, 이루고 싶은 성과는 무엇인가.

“다양한 분야를 아우르는 융합연구를 해 오고 있지만, 그중에서도 가장 큰 관심이 있고 궁극적으로 해결해 보고자 하는 연구 목표는 환자 맞춤형 이식용 장기의 실용화다. 환자 본인의 줄기세포 유래 오가노이드의 접합과 구조체의 대형화 과정을 통해 장기 수준의 조직을 제작하고 해당 환자에게 이식할 수 있는 재생 치료 전략을 수립해 보고자 한다. 이런 방식으로 간, 장, 폐, 심장 등 다양한 장기를 제작하는 연구를 진행하고 있는데 아직은 초기 단계다. 은퇴하기 전에 단 하나의 장기라도 현재 장기 이식의 한계점을 극복할 수 있는 환자 자신의 세포로 구성된 이식용 장기를 생산하는 상용화를 꼭 이루고 싶다.”

-미래 과학자를 꿈꾸는 학생들에게 조언 또는 당부의 말씀이 있다면.

“생명공학 기술이 미래 유망 분야로 주목받으며 관련 분야의 과학자를 꿈꾸는 학생들이 많다. 팬데믹 사태로 차세대 백신, 진단 기술 등 생명공학 기술의 가치는 더욱 높아졌다. 하지만 세부 연구 분야와 진로를 정할 때 최근 동향이나 인기에 영향을 받지 말고, 본인이 가장 좋아하는 일을 선택해야 한다. 생명체를 다루는 연구는 생명현상의 특성상 예기치 못한 상황과 어려움을 많이 접한다. 본인이 정말 좋아하는 연구를 하더라도 포기하는 경우가 많은데, 좋아하지 않는 일을 평생 직업으로 삼기는 어려울 것이다. 스스로 노력해 어떤 분야가 자신에게 가장 잘 맞고 흥미가 있는지, 자신의 미래를 걸어볼 만한 가치가 있을지 판단할 수 있는 능력을 함양하기 바란다.”

출처 : 아주경제, https://www.ajunews.com/view/20220320232039720