Ⅰ. 배양육과 씨위드 소개
1. 배양육 서론
배양육은 세포를 배양액과 바이오리액터를 이용하여 실험실에서 고기를 만드는 방식으로 현재 육류산업의 문제점을 해결할 수 있다는 장점이 있다. 현재의 육류 산업은 동물을 죽여야 하는 윤리적 문제, 식량의 비효율성, 가축에서 발생하는 메탄가스와 같은 온실가스 문제가 있다. 배양육은 이러한 문제를 해결할 수 있기에 기대받고 있는 기술 중 하나이다.
2. 씨위드
씨위드는 배양육 연구 회사로 2020년 DGIST에서 박사과정 학생 5명이 창업하여 시작하였으며 이후 꾸준한 투자를 받으며 성장한 스타트업 기업이다. 씨위드의 경쟁사 대비 기술적 장점은 배양액이다. 스피루리나, 클로렐라와 같은 해조류를 이용하여 배양액을 생산하고 배양육을 만드는 방식을 사용한다. 해조류 기반 배양액은 기존의 배양액과 같은 성능을 보이지만 리터당 수천 원 수준으로 기존의 배양액보다 100배 이상 저렴하여 배양육의 단가를 크게 낮출 수 있다. 식품소재로 만들어졌기에 인체에 안전하다. 또한 높은 단백질 함량으로 세포를 배양하는데 필요한 영양분을 수월하게 공급할 수 있다. 또한 미역, 다시마와 같은 갈조류로 제작한 scaffold를 이용한다. 이는 생체조직을 모사하는 구조를 가지고 있어 두거운 두께의 세포를 배양할 수 있고, 근육 세포의 특성에 적합한 환경을 제공한다. 근육세포는 수가 증가할 뿐만 아니라 다발로 변화하는 분화과정을 거치는데 분화에 적합한 환경을 제공한다.
씨위드는 짧은 기간 동안 많은 투자와 관심을 받으며 성장하고 있다. 2023년에는 본격적인 생산공정을 운용하며 투자 유치를 계속해나가고 있다. 기술, 연구 개발과정을 넘어 본격적인 스캐일업 단계에 진입하였으며 배양육 전체 공정을 다루어 직접 제조가 가능한 기업이다.
Ⅱ. Spirulina
1. Spirulina
가) Spirulina 소개
spirulina는 다세포이며 식물이 아닌 남조류이다. 35억 년 전 탄생한 것으로 추정되며 바다에 용해된 이산화탄소를 이용하여 광합성을 한다. 고온, 고알칼리성 조건에서 강한 햇빛이 성장에 유리하다. 물에서 서식하며 쉽게 수확하고 가공할 수 있으며 영양소의 함량이 매우 높아 건강식품으로 이용되어 왔다. spirulina는 건조중량에서 60~70%가 단백질인 고단백질성분이며 필수아미노산이 다양하게 들어있고 균형을 맞추고 있어 식품과 관련하여 우수한 성질을 가지고 있다. 1967년 국제응용미생물학회는 spirulina를 좋은 미래식량으로 판별하였으며 현재 산업적으로 많은 연구와 활용이 이루어지고 있다.
2. Spirulina의 특징
가) 형태
spirulina는 공기 중의 질소를 고정하는 백테리아와 공생하는 미세조류이다. 막대 모양이나 원반모양이며 주요한 광합성 색소는 피코시아닌이다. 엽록소 a와 카르티노이드를 가지고 있다. 일부에는 피코이트린 색소가 있어 붉은색이나 분홍색을 띠게 한다.
나) 특징과 서식환경
spirulina는 다른 미생물이 번식하기 어렵거나 불가능한 알칼리성 호수에서 번성할 수 있다. 높은 pH(8.5~11.0)는 spirulina의 생산에 유리하며 열대지방의 강한 태양복사나 빛이 강한 곳에서 번성한다. spirulina는 실험실 조건에서 35°C~37°C 사이에 최적의 성장이 나타난다. 39°C까지 온도가 상승해도 광합성 능력이 유지된다. spirulina가 성장할 수 있는 낮의 최저온도는 15°C이다. 밤에는 이보다 낮은 온도를 견딜 수 있다. 또한 자외선에 대한 저항성이 높다.
다) 생화학적 구성
단백질: 건조중량의 55~70%가 단백질로 고단백질 성분이다. 또한 모든 필수아미노산을 함유하고 있다. 이는 다른 식물성 단백질에 비교하여 많은 양이다.
지방산: 전체 지질은 5~6%를 차지하며 이중 PUFA가 1.5~2%로 다량 함유되어 있다. 이외에도 ALA, LA, SDA, EPA, DHA 등이 함유되어 있다..
비타민: 비타민 B가 풍부하며 비타민C, 비타민D, 비타민E가 함유되어 있다.
무기염류: 칼륨이 풍부하며 칼슘, 크롬, 구리, 철, 마그네슘, 망간, 인, 셀레늄, 나트륨, 아연이 함유되어 있다.
광합성색소: 엽록소를 비롯하여, xanthophyll, betacarotene, echinenone, myxoxanthophyll, zeaxanthin, canthaxanthin, diatoxanthin, 3-hydroxyechinenone, beta-cryptoxanthin, oscillaxanthin이 포함되어 있다.
3. Spirulina의 일반적인 재배조건
가) 기본적인 실험실 조건
광도(photo-period 12/12, 4 luxes), 온도(30°C), inoculation size, 교반 속도, dissolved solid (10–60 g/litre), pH (8.5–10.5), 다량 및 미량 영양소 (C, N, P, K, S, Mg, Na, Cl, Ca and Fe, Zn, Cu, Ni, Co, Se)을 고려해야 한다.
Ⅲ. 씨위드의 Spirulina 활용
1. 씨위드의 Spirulina배양 및 추출
한국해양과학기술원의 spirulina를 이용하며 200L 용량의 photobioreactor을 사용한다. 온도는 25°C, 광주기는 12:12로 하여 배양한다. 세포는 20분간 9000rpm으로 원심분리하여 수거한 후 동결건조하여 -50°C 에서 보관한다. 건조한 시료를 증류수에 1% 및 0.5%로 용해하고 초음파처리(A), 고온 및 고압 처리(B)하여 세포를 파괴한다. 이후 9000rpm 에서 20분간 원심분리 하고(C) 1-μm whatman No.1 배지를 통해 거른 후(D) 상층액을 30000rpm에서 20분간 원심분리(E) 한다. 0.2μm 필터를 통해 박테리아, 진균을 제거한다(F). 추출 이후 제작된 SACCS(Spirulina animal cell culture solution)는 -20°C에서 보관하며, 이때 추출한 SACCS의 수율은 약 10% 정도이다.
2. FBS와 SACCS의 비교
spirulina는 단백질함량이 높으며 미네랄, 다양한 원소, 지질 등을 함유하고 있어 FBS를 대체할 수 있는 능력을 가지고 있다.
가) 기본조건과 성분 비교
pH: 세포의 생장에는 최적의 PH가 필요하다. FBS의 pH는 7.7이며, SACCS의 pH는 7.8이다.
염분: 염분은 체계를 조절하는 핵심 요소이다. FBS의 염분은 0.5%이며, SACCS의 염분은 0%이다.
성분: FBS는 탄수화물 8.08%, 단백질 85.00%, 지질 1.75%를 함유하고 있으며 SACCS는 탄수화물 13.20%, 단백질 79.20%, 지질 4.40%를 함유하고 있다. 주요 성분은 단백질이며 단백질 종류의 비율도 유사하다. 미네랄은 비슷한 비율로 확인되었으며, 중금속은 소량 검출되었다. 완전히 같진 않지만 전체적인 비율은 유사함을 알 수 있다..
나) SACCS의 대체효과
FBS와 SACCS의 비율을 다르게 하여 실험을 진행하였다. F10:S0과 비교하여 F5:S5에서 세포성장률은 112%, F3:S7에서 세포성장률은 102%, F1:S9에서 세포성장률은 87%을 보였으며 세포의 모양에는 큰 변화가 없었지만 F1:S9에서는 세포질의 경계와 세포 간의 경계가 흐려지는 모습을 보였다. SACCS가 다량함유되었을 때 새포성장률이 기존의 FBS와 유사하거나 이상이므로 이용가치가 높다고 평가할 수 있다..
다) SACCS의 세포주기
세포는 G1, S, G2, M기를 거치며 세포분열이 일어나기에 SACCS에 따른 세포주기의 변화는 세포에 있어 중요하다. SACCS가 보충된 배지에서 배양된 세포의 세포주기를 기존과 비교하였다. FBS 대조군과 F5:S5 및 F3:S7배지에서 배양한 세포주기는 거의 유사하였지만 F1:S9(에서 배양한 세포에서는 G0, G1비율이 감소하고 G2, M기의 비율이 증가하였다.
마무리
배양육을 제작할 때 가장 중요한 것은 배양액인데 기존의 FBS는 비윤리적이고 가격이 비싸 배양육을 보편화하기 어렵다는 단점이 있었다. 씨위드는 해조류를 이용하여 기존의 FBS와 매우 유사한 수준의 배양액을 제작하였다. 이는 매우 중요한 부분이다. 배양육을 보편화할 수 있는 가장 첫 단계는 가격이기에 기존의 배양액의 단가를 낮출 필요성이 절실하다. 씨위드의 스피루리나를 이용한 배양액은 이러한 가격적인 측면을 잘 고려하였으며 FBS의 완전 대체가 기대된다. 씨위드는 요오드의 함량이 적은 해조류를 연구하던 도중 이를 이용하여 배양액에 관한 연구를 하였다. 넓은 시야를 바탕으로 기존의 연구를 다른 분야에 적용하여 뛰어난 성과를 낸 부분이 인상 깊다. 배양액뿐만 아니라 세포배양에 있어 많은 영향을 주는 스캐폴드도 마찬가지로 해조류의 배양과 추출을 기반으로 하였는데 세포배양에 있어 해조류와 식물의 활용성이 매우 넓다는 것을 알 수 있다. 해조류는 매우 다양하기 때문에 씨위드에서는 스피루리나 외의 해조류와 식물을 이용하여 배양액과 스캐폴드를 만들려는 시도를 하고 있으며 기대되는 부분이다. 마찬가지로 eat just를 비롯한 많은 배양육 기업들은 수많은 식물과 해조류를 이용하여 세포배양이 잘되고 가격이 싼 배양액을 만들기 위해 노력을 기울이고 있다. 그렇기에 세계적으로 이에 대한 관심은 증가하고 있는데 많은 인력과 자원이 투자되어 여러 조건에서 식물과 해조류를 배양하고 추출하여 좋은 배양액을 만들 수 있는 성과가 나오길 기대한다.
참고문헌
[1] Jeong, Y., Choi, WY., Park, A. et al. Marine cyanobacterium Spirulina maxima as an alternate to the animal cell culture medium supplement. Sci Rep 11,4906 (2021).
https://doi.org/10.1038/s41598-021-84558-2
[2] M. Ahsan B. Habib, Mashuda Parvin, Tim C. Huntington, Mohammad R. Hasan. A review on culture, production and use of spirulina as food for humans and feeds for domestic animals and fish. 𝘍𝘖𝘖𝘋 𝘈𝘕𝘋 𝘈𝘎𝘙𝘐𝘊𝘜𝘓𝘛𝘜𝘙𝘌 𝘖𝘙𝘎𝘈𝘕𝘐𝘡𝘈𝘛𝘐𝘖𝘕 𝘖𝘍 𝘛𝘏𝘌 𝘜𝘕𝘐𝘛𝘌𝘋 𝘕𝘈𝘛𝘐𝘖𝘕𝘚 𝘙𝘰𝘮𝘦 (2008)
https://www.fao.org/3/i0424e/i0424e00.pdf
[3]Claire Bomkamp,* Stacey C. Skaalure,* Gonçalo F. Fernando, Tom Ben-Arye, Elliot W. Swartz, and Elizabeth A. Specht. Scaffolding Biomaterials for 3D Cultivated Meat: Prospects and Challenges. 𝘢𝘥𝘷𝘢𝘯𝘤𝘦𝘥 𝘴𝘤𝘪𝘦𝘯𝘤𝘦 (2021)
[4]seawith.accesed Dec 23. 2023, https://seawith.net/
'생명과학 > 기술동향' 카테고리의 다른 글
| 21세기 가장 획기적인 기술, 배양육-서론(1) (1) | 2024.01.25 |
|---|
