5년 키운 실험실 미니 뇌, 시간의 흐름 기억했다

하버드 연구팀, ‘네이처’에 발표 어린 전구세포에 성숙 세포 혼합 두 달 걸릴 발달 과정 2주로 끝내 서로 다른 뇌세포들을 형광 색소로 염색한 오가노이드 단면을 한 눈에 볼 수 있도록 합성한 사진. 하버드대 파올라 아를로타 연구실 제공 인간 세포를 배양해 3차원으로 뇌 조직을 구현한 ‘뇌 오가노이드’를 5년간 배양한 결과 시간 경과에 따라 뇌가 성숙하는 분자 수준의 변화가 포착됐다. 특히 성숙한 뇌는 시간의 흐름을 기억한다는 점도 확인됐다. 파올라 아를로타 미국 하버드대 줄기세포·재생생물학과 교수 연구팀은 뇌 오가노이드를 장기간 관찰해 분자 수준의 변화를 확인하고 연구 결과를 국제학술지 ‘네이처’에 19일(현지 시간) 발표했다. 인간의 뇌는 완전히 성숙하는 데 20년 넘게 걸리는 것으로 알려져 있다. 그동안 뇌 오가노이드는 대부분 수개월간 배양하는 데 그쳤다. 이에 뇌 오가노이드로는 태아의 초기에서 중기 단계의 뇌만 모사할 수 있었다. 뇌 오가노이드 내부 신경세포(뉴런)의 조기 소실과 조직 괴사 등의 영향 때문이다. 뇌 오가노이드를 수년간 배양할 수 있다면 뇌가 성숙해지는 과정을 재현할 수 있다는 판단에 따라 연구팀은 배양한 지 얼마 안 된 ‘어린’ 신경 전구세포(신경세포로 분화하기 전 단계 세포)와 장기간 배양한 ‘성숙한’ 신경 전구세포를 하나의 오가노이드에 혼합한 ‘키메라 오가노이드’를 제작했다. 키메라는 여러 동물의 특징이 한 몸에 섞인 그리스 신화 속 괴물에서 유래한 용어다. 과학계에서는 서로 다른 특성을 지닌 세포들이 하나의 개체 안에 섞여 있을 때 키메라라는 용어를 사용한다. 연구팀은 배양 시기와 발달 단계가 다른 두 세포군을 한데 모아 키메라 오가노이드를 구성했다. 키메라 오가노이드 제작 결과 성숙한 전구세포들은 어린 전구세포들이 있는 초기 배양 환경에서도 초기 발달 단계를 건너뛰고 통상 2개월이 걸리는 성숙한 신경세포를 단 2주 만에 만들어냈다. 성숙한 전구세포가 발달 과정에 대해 기억하고 있음을 시사하는 대목이다. 성숙한 전구세포와 달리 어린 전구세포는 초기 신경세포부터 순차적으로 형성됐다. 연구팀은 신경세포의 생존과 성장을 돕는 단백질인 ‘신경영양인자’를 지속 공급하고 신경세포 내 활성산소 축적과 신경 독성 발생을 완화하며 산소와 영양분이 보다 원활하게 공급되도록 만들어 뇌 오가노이드 배양 조건을 최적화하고 5년 배양에도 성공했다. 이를 통해 연구팀은 장기 배양된 뇌 오가노이드의 유전자 발현 ...