1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드

 재생의학적 관점에서 한번 손상되면 회복이 어려운 뇌, 심장과 같은 기관의 세포들은 오랜 기간 줄기세포 연구의 주요한 타겟이 되어 왔습니다. 그러나 배아줄기세포(embryonic stem cell, ESC)와 같은 만능성 줄기세포(pluripotent stem cell, PSC)를 의도하는 방향으로 분화 유도하고 나아가 신경세포와 같은 특정 세포 종류로 성숙시키는 데에는 여러가지 어려움이 따릅니다. 번거로운 단계 및 과정에도 불구하고 낮은 분화 효율은 극복해야 하는 요인 중 하나입니다. 본 연구는 인간배아줄기세포를 초기신경세포로 분화 유도하는 효율을 극대화함으로써 신경분화에 걸리는 시간, 단계, 비용 등을 현저하게 낮추고자 하는 목적에서 고안되었습니다.

우리는 이전 연구에서 ‘자성나노입자(magnetic nanoparticle) 기반의 자기력 집중 플랫폼’을 통해 구현된 3차원 인간배아줄기세포의 크기(diameter of embryoid body)에 따라 초기 배엽성(gastrulation)이 결정된다는 결과를 발견하였습니다. 이를 근거로 자성나노입자 및 자기력 집중 플랫폼을 이용해 3차원 인간배아줄기세포의 크기를 지름 300 um 이하로 조절하여 신경세포로 분화시키기 용이한 외배엽성(ectodermal) 세포로 유도함과 동시에 신경분화 배지를 이용해 초기 신경분화 효율을 크게 증가시켰습니다.

결과적으로 기존에 2차원 상에서 시행되던 초기신경분화를 자기력 기반의 3차원상에서 진행함으로써 평균 2주가량이 소요되던 신경가지형성(outgrowth) 과정을 5일로 단축하였습니다. 추가적으로 이와 같은 신경분화 효율증대에 직접적으로 영향을 미친 요인을 분석한 결과 ‘3차원’과 ‘자성나노입자’가 함께 시너지 효과(synergic effect)를 낸 것으로 나타났습니다. 특히, 자성나노입자가 도입된 세포가 자기력 집중 플랫폼 안에 들어가면서 세포 간 상호작용이 활발해진 것(mechanotransduction)이 가장 크게 신경분화 효율증대에 기여한 것으로 확인되었습니다.

본 연구를 통해 만능성 줄기세포가 신경세포로 분화하는데 있어서 기존에 오랫동안 주목을 받아온 생물화학적(biochemical) 인자들 뿐만 아니라 물리적인(physical) 환경과 조건도 매우 중요하다는 사실을 확인할 수 있었습니다. 이러한 고찰은 초기신경세포 분화유도에서 나아가 성숙한 뇌 조직(cerebral tissue) 구현에도 적용이 가능할 것으로 사료됩니다.

2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁드립니다.

 현재 서울대학교 화학생물공학부 명예교수이시며 이화여자대학교 식품영양학과 특임교수이신 박태현 교수님 연구실에서는, 미생물 및 동물세포 엔지니어링을 바탕으로 재조합 단백질 기반의 분자생물학 연구부터 인간의 오감을 다루는 센서의 영역까지 다방면의 융합연구가 진행되고 있습니다. 제가 재학할 당시 줄기세포의 물리적인 인자를 조절하여 분화 방향(lineage specification, cell commitments)을 조절하는 연구를 다양하게 수행 중이었는데, 세포에 가해지는 물리적인 힘을 미시적인 수준에서 조절하고 세포 외부의 물리적인 환경을 조절하는 등의 방법을 이용해 신경분화 뿐 아니라 연골분화, 골분화 등 다양한 종류의 분화 유도를 이룩한 바 있습니다. 아울러 제가 현재 박사후 연구원으로 몸담고 있는 한양대학교 박희호 교수님 연구실은 인간 줄기세포 뿐만 아니라 다양한 종의 줄기세포를 기반으로 하는 응용 연구를 수행 중에 있습니다. 이와 같은 줄기세포 및 오가노이드를 이용한 응용 연구들과 관련하여 추후 좋은 결과로 소개 드릴 수 있기를 희망합니다.

3. 연구 활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람

 연구를 수행하던 학위과정 동안 묵묵히 지켜봐 주시고 믿고 기다려 주심으로써 용기를 잃지 않도록 격려해 주셨던 박태현 교수님, 언제나 자신감을 북돋워 주시고 가치 있는 연구를 해 나갈 수 있도록 열과 성을 다해 지도해주시는 박희호 교수님, 본 연구의 시작점이 된 ‘자기력 집중 플랫폼’을 개발하시고 석박사통합과정 동안 아낌없는 가르침과 끊임없는 격려를 주셨던 사수 정아언니(김정아 박사님), 자성박테리아 배양하고 자성나노입자를 분리정제 해내는 품이 많이 드는 작업을 항상 함께 해 준 성우(조성우 박사), 그리고 하위 메커니즘 분석을 진행하기 위해 갖은 노력을 하며 고락을 함께 했던 소라(박소라 박사)까지 모두 진심으로 감사드립니다. 저는 이 연구를 통해 줄기세포 연구의 즐거움을 알게 되었고 현재는 배아줄기세포 뿐만 아니라 역분화줄기세포(induced plueipotent stem cell, iPSC), 조혈모세포(hematopoietic stem cell, HSC), 오가노이드(organoid)와 같은 다양한 줄기세포 연구분야에 관심을 가지고 공부해 나가고 있습니다. 앞으로 줄기세포를 기반으로 하는 무궁무진한 연구분야를 기꺼운 마음으로 탐색해 나가고자 합니다.

4. 이 분야로 진학하려는 후배들 또는 유학준비생들에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면?

 줄기세포를 이용하는 연구는 줄기세포를 생산하는 목적의 연구(reprogramming, direct conversion)에서부터, 줄기세포 특성을 유지하는 연구(maintenance of pluripotency), 분화 방향을 조절하는 연구(regulation of differentiation), 나아가 성숙한 조직 또는 기관을 형성하여 질병 모델(disease modeling)을 구축하거나 조직공학 및 재생의학적(tissue engineering & regenerative medicine)으로 응용하는 연구까지 정말 다양한 분야에 걸쳐 존재합니다. 근래에는 인간의 줄기세포를 이용하는 것에서 발전하여 가축의 줄기세포를 기반으로 하는 배양육 연구(cultured meat) 등 새로운 줄기세포 연구의 지평이 열리고 있습니다. 이처럼 줄기세포 연구분야는 아직까지도 발전 가능성이 무궁한 미지의 영역이라고 할 수 있습니다.

5. 연구 활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?

 인간배아줄기세포를 초기신경분화 유도했던 본 연구에서 뻗어 나가 현재는 뇌 오가노이드(cerebral organoid)를 기반으로 하는 연구들도 수행 중에 있습니다. 인간의 뇌를 보다 잘 모사함으로써 동물 모델이 가진 이종 간의 차이에서 기인하는 한계를 극복할 수 있는 적확한 질병 모델을 구축하여 이용하고자 합니다. 이와 같은 응용 연구와 관련해서는 추후 의미 있는 결과를 도출하여 소개할 수 있는 기회가 닿기를 소망합니다.

6. 다른 하시고 싶은 이야기들.....

논문이 나오기까지 짧지 않은 시간 함께 하며 어려운 연구에 동행 해 준 공동 1저자 소라(박소라 박사), 그리고 언제나 저를 믿고 물심양면으로 지원해 주시는 박희호 교수님과 박태현 교수님을 비롯해 모든 저자분들 감사합니다.