세포공학
세포공학(細胞工學, cell engineering)은 세포 배양 기술이나 세포 융합, 미량 주입법 따위로 세포를 인위적으로 조작하여 경제적으로 유용한 세포를 만들거나 유용한 물질을 생산하는 원리와 기술을 탐구하는 학문이다. 생명공학의 한 분야이다.
개요[편집]
생명체를 이용한 유용 생명분자의 생산을 목적으로 하는 생명공학(biotechnology)의 한 영역으로 세포와 조직을 배양하는 과정에서 염색체나 유전자의 인위적인 조작, 이전기술을 통하여 유용 유전자의 형질을 발현할 수 있는 새로운 세포를 만들어 내는 기술이다,대표적인 예로는 특이 항원에 대한 단일항체를 대량 생산할 수 있는 잡종골수종세포 기술을 들 수 있다. 유전자 조작기술을 주로 이용하는 유전공학(genetic engineering)과 비교되는 뜻을 가진다. 세포공학은 세포와 조직을 배양하는 과정에서 염색체나 유전자의 인위적인 조작, 이전기술을 통하여 유용 유전자의 형질을 발현할 수 있는 새로운 세포를 만들어 내는 기술이다. 본래 이 분야는 미생물 육종분야에서 출발한 것으로 분리육종 ·교잡육종 ·돌연변이육종 등 자연상태에서 일어나는 유전자 교환이나 돌연변이에 의한 변이체 선별로 유용한 균주를 생산하였다. 그러나 1970년대 이후 개발된 유전자 조작 ·세포 및 원형질 융합 ·핵치환 ·미세주입 등 소위 유전공학 기술의 발달로 지금까지 자연계에 존재하지 않은, 새로운 유전자 구성을 가지는 세포, 즉 생명체를 만들어낼 수 있게 된 것이다.
세포공학의 대표적인 예로는 특이 항원에 대한 단일항체(monoclonal antibody)를 대량 생산 할 수 있는 잡종 골수종세포 기술(hybridoma technology)을 들 수 있다. 이는 항체 생성능의 형질세포와 영구분열능의 골수종 세포를 융합하여 이 두 세포의 특성을 동시에 가지는 잡종세포를 만들어 내는 기술이다. 따라서, 세포공학은 세포유전학 ·분자유전학 ·면역학 ·육종학 ·세포및 조직배양학 등의 놀라운 발전과 그 통합으로 대두되는 응용생물학 ·생명공학의 한 분야라 할 수 있다.
주요 기술[편집]
- 세포 배양
- 특정 세포를 인공적인 환경에서 배양하여 연구하거나 생산에 이용하는 기술.
- 2D 및 3D 배양법, 오가노이드 배양 등이 포함된다.
- 유전자 편집
- CRISPR-Cas9, TALENs, ZFN 등의 기술을 이용해 세포의 유전자를 조작.
- 질병 모델 제작, 유전자 치료 등에 응용.
- 세포 리프로그래밍
- 성숙한 체세포를 유도만능줄기세포(iPSC)로 전환하여 다분화능(pluripotency)을 부여하는 기술.
- 재생 의학 및 약물 스크리닝에서 활용.
- 세포 융합
- 두 개 이상의 서로 다른 세포를 융합하여 새로운 기능을 가진 세포를 생성.
- 단클론 항체 생산, 하이브리도마 기술에 적용.
- 미세유체학 기반 세포 조작
- 미세유체 시스템을 사용하여 세포를 조작 및 분리하는 기술.
- 단일세포 분석 및 고효율 세포 정렬에 유용.
응용 분야[편집]
- 의학
- 세포 기반 치료 (예: 줄기세포 치료, 면역세포 치료)
- 세포 모델을 이용한 약물 스크리닝
- 재생 의학
- 손상된 조직과 장기를 복구하는 데 필요한 세포를 제공.
- 생물공정
- 세포를 이용한 바이오 의약품 및 단백질 생산.
- 농업 및 식품공학
- 고효율 식물 세포 배양 및 대체 단백질 생산.
- 환경 공학
- 오염물질 제거를 위한 미생물 세포 엔지니어링.
역사적 배경[편집]
세포공학의 기원은 조직 배양 및 현미경 기술의 발전과 함께 시작되었다. 20세기 중반 줄기세포 연구, 유전자 조작 기술, 세포 융합 기술의 개발로 인해 본격적으로 발전했으며, 21세기에는 CRISPR-Cas9 기술과 같은 획기적인 유전자 편집 도구의 등장으로 새로운 도약을 이루었다.
- 세포의 발견
- 1665년, 영국의 로버트 훅(Robert Hooke)이 자신이 설계한 현미경을 사용하여 처음으로 세포를 관찰했다.
- 세포 이론의 제안
- 1838년, 슐라이덴(Matthias Schleiden)이 *"식물 발생론"*을 발표하며 모든 복잡한 식물도 세포로 이루어져 있다고 주장했다.
- 1839년, 슈반(Theodor Schwann)이 *"동식물 구조와 성장의 일치성에 대한 현미경 연구"*를 발표하며 "세포 학설"(Cell Theory)을 제안했다. 이후, 독일 과학자 비르호(Rudolf Virchow)는 세포 이론을 보완하며 "모든 세포는 기존의 세포로부터 분열을 통해 생성된다"고 주장했다. 세포 이론의 확립은 생물계의 통일성과 생명의 공통 기원을 밝혀내며, 19세기 자연 과학의 3대 발견 중 하나로 꼽힌다.
- 세포 및 조직 배양
- 1902년: 하버란트(Haberlandt)가 식물 세포의 전능성 이론을 제시했다.
- 1907년: 해리슨(Harrison)이 개구리 배아 신경세포의 돌출부를 연구하며 무균 조작 기술을 개발했다.
- 1912년: 카렐(Carrel)이 닭 배아 심근 조직을 장기적으로 계대 배양했다.
- 1940년: 얼(Earle)이 최초로 단일 세포 클론 배양 기술을 개발하고, 소결합 조직의 L 세포주를 확립했으며, 1951년에는 인공 배양액을 개발했다.
- 세포 융합
- 1975년: 세자르 밀스테인(Cesar Milstein)과 조지 쾰러(Geoger Kohler)가 양홍세포로 면역 처리한 생쥐의 비장 세포와 생쥐 골수종 세포를 융합하여, 시험관 내에서 무한히 증식하면서 특이 항체를 생성할 수 있는 잡종종양 세포(hybridoma)를 만들었다.
- 배아 공학
- 1978년: 영국 케임브리지 대학교의 생리학자 로버트 에드워드(Robert Edwards)가 배아 공학 기술을 이용해 세계 최초의 시험관 아기 루이즈 브라운(Louise Brown)을 탄생시켰다.
- 유전자 변형 생물
- 1983년: 팔미터(Palmiter)와 브린스터(Brinster)가 쥐의 성장호르몬 유전자를 생쥐에 삽입하여 성장 속도가 매우 빠른 초대형 생쥐를 생산했다.
- 1987년: 고든(Gordon)이 조직 플라스미노겐 활성화 인자(tPA)를 분비하는 유전자 변형 생쥐를 개발했다.
- 세포 핵 이식
- 1938년: 독일 배아학자 슈페만(Hans Spemann)이 배아 세포 핵을 핵 제거된 난자에 이식하면 새로운 배아로 발달할 수 있다고 제안했다.
- 1997년: "돌리"(Dolly) 양의 탄생으로 포유류 체세포 핵 복제 시대가 도래했다.
연구분야[편집]
- 동식물 세포 및 조직 배양 : 동물과 식물의 세포나 조직을 생체 외에서 배양하여 연구 및 산업적 활용.
- 세포 융합 : 서로 다른 세포를 융합하여 새로운 생물학적 특성을 지닌 세포나 유기체 생성.
- 세포 핵 이식 : 특정 세포의 핵을 제거한 후 다른 세포의 핵을 이식하여 복제하거나 새로운 세포를 생성.
- 염색체 공학 : 염색체의 수와 구조를 조작하여 새로운 유전적 특성을 가지는 생물체를 개발.
- 배아 공학 : 배아 단계에서 유전적 조작 또는 인공수정 기술을 통해 품질이 우수한 생명체를 개발.
- 줄기세포 및 조직공학 : 배아 및 성체 줄기세포를 활용하여 조직과 장기를 생성하거나 재생의학에 응용.
- 유전자 변형 생물(GMO) 및 바이오리액터 : 특정 유전자를 삽입하여 유용한 단백질이나 물질을 생산하는 동식물 개발.
참고자료[편집]
- 〈세포공학〉, 《두산백과》
- 〈세포 공학〉, 《네이버 국어사전》
- 〈细胞工程(生物工程的一个重要方面)〉, 《百度百科》
같이 보기[편집]