배양육의 조직 형성부터 가공까지 – 차세대 육류 기술 분석

세포가 적절히 분화하여 근육 조직과 지방 조직을 형성한 후에는, 이를 실제 고기의 형태와 유사하게 조합하고, 최종적인 조직 성숙화(maturation) 단계를 거쳐 식용 가능한 형태로 가공하는 과정이 필요하다. 이 단계는 조직 공학(Tissue Engineering)의 핵심 기술이 적용되는 부분으로, 세포를 고기와 유사한 조직으로 배치하고, 영양소 및 풍미를 조절하며, 물리적 특성을 개선하는 작업이 포함된다.

배양육이 전통적인 고기와 동일한 식감을 가지려면 근섬유 방향성(Fiber Alignment), 지방 분포(Marbling), 씹는 질감(Texture), 수분 함량(Water Holding Capacity), 색상 및 향미(Color & Flavor) 등의 요소가 최적화되어야 한다. 이를 위해, 3D 바이오프린팅, 세포외기질(ECM) 기반 스캐폴드(Scaffold) 활용, 전기 자극 및 기계적 자극을 통한 근육 형성 촉진, 영양소 및 풍미 조절 기술이 결합된다.

 

 

3D 바이오프린팅을 통한 구조 형성

배양육이 전통적인 동물성 육류와 동일한 조직 구조와 물성을 갖추기 위해서는 근육 섬유, 지방 조직, 결합 조직을 세밀하게 배열하는 과정이 필수적이다. 하지만 기존의 세포 배양 방식은 세포가 무작위적으로 성장하고 증식하여, 근육 조직이 정렬되지 않으며, 조직 밀도가 낮아지는 문제점이 존재한다.

이를 해결하기 위해 3D 바이오프린팅(Bioprinting) 기술이 적용되며, 근육 및 지방 세포를 원하는 패턴으로 정밀하게 배열하고, 세포외기질(ECM)과의 상호작용을 조절하여 조직 형성을 최적화하는 접근법이 연구되고 있다. 3D 바이오프린팅을 이용하면 근육 조직의 방향성과 결합 강도를 강화하고, 고기의 씹는 질감을 자연스럽게 구현할 수 있다.

 

1) 3D 바이오프린팅의 원리와 핵심 기술

3D 바이오프린팅은 층(layer) 단위로 세포와 생체 재료를 적층하여 생체 조직을 구축하는 기술로, 세포를 원하는 위치에 배치하여 육류 조직의 구조적 특성을 재현할 수 있도록 한다. 기존의 2D 세포 배양 방식에서는 세포가 접착할 표면이 제한되며, 조직이 3차원으로 성장할 수 있는 환경이 부족하기 때문에, 3D 프린팅 기술을 활용하여 세포가 입체적인 환경에서 증식 및 분화할 수 있도록 하는 것이 핵심이다.

3D 바이오프린팅의 기본 원리는 세포가 포함된 바이오잉크(Bioink)를 층층이 쌓아 올려 조직 구조를 구현하고, 이후 배양 과정을 통해 세포 간 상호작용을 유도하여 성숙한 근육 조직으로 발전시키는 것이다. 이를 위해서는 다음과 같은 핵심 기술이 필요하다.

① 바이오잉크(Bioink) 조성 및 선택

바이오잉크는 세포와 생체 재료(Biomaterials), 세포외기질(ECM), 성장인자(Growth Factors) 등의 생리활성 물질이 포함된 프린팅용 생체 잉크로, 세포가 생존하며 기능을 유지할 수 있도록 최적화된 환경을 제공하는 역할을 한다.

바이오잉크는 다음과 같은 구성 요소를 포함한다.

• 세포(Cell Component): 근육세포(Myoblasts), 지방세포(Adipocytes), 혈관세포(Endothelial Cells) 등
• 지지체(Biomaterial Component): 콜라겐(Collagen), 피브린(Fibrin), 젤라틴(Gelatin), 알지네이트(Alginate), 히알루론산(Hyaluronic Acid) 등
• 영양 및 성장 인자: IGF-1(Insulin-like Growth Factor-1), FGF-2(Fibroblast Growth Factor-2), VEGF(Vascular Endothelial Growth Factor) 등

바이오잉크의 조성은 프린팅 후 조직이 적절한 강도를 유지하며, 세포가 부착 및 성장할 수 있도록 결정적인 역할을 한다. 특히, 근섬유 형성을 위해서는 단단한 ECM 기반의 바이오잉크가, 지방 조직 형성을 위해서는 유연한 하이드로겔 기반 바이오잉크가 적합하다.

② 3D 바이오프린팅 방식

3D 바이오프린팅 기술은 세포와 생체재료를 사용하는 방식에 따라 여러 유형으로 나뉜다. 배양육 제작에서는 주로 압출 기반 바이오프린팅(Extrusion-Based Bioprinting)과 레이저 기반 바이오프린팅(Laser-Assisted Bioprinting)이 적용된다.

1. 압출 기반 바이오프린팅(Extrusion-Based Bioprinting)
   • 바이오잉크를 압력(공기압, 피스톤, 나사 메커니즘)을 이용하여 연속적으로 적층하는 방식
   • 근육 섬유의 정렬 방향을 조절할 수 있으며, 콜라겐과 같은 고점도 생체 재료 프린팅이 가능
   • 상대적으로 세포 생존율이 낮아질 가능성이 있어, 세포 보호를 위한 최적화된 프린팅 조건이 필요
2. 레이저 기반 바이오프린팅(Laser-Assisted Bioprinting, LAB)
   • 레이저 펄스를 이용하여 바이오잉크를 초정밀하게 배치하는 방식
   • 높은 해상도로 조직을 정밀하게 형성할 수 있으며, 근육 섬유와 지방 세포를 원하는 위치에 배치하는 것이 가능
   • 다만, 기술 비용이 높고, 대량 생산에는 아직 한계가 존재

 

2) 근섬유 구조 형성과 조직 성숙화

3D 바이오프린팅을 통해 근육과 지방 세포를 원하는 위치에 배치한 후, 세포가 조직화되는 과정(성숙화 과정)이 필수적으로 필요하다.

① 세포 간 접착 및 근섬유 정렬

프린팅된 세포들은 배양 과정에서 세포 간 상호작용(Cell-Cell Interaction)과 세포외기질-세포 상호작용(Cell-ECM Interaction)을 통해 조직화된다.

• 근섬유 정렬 유도
  • 실제 근육은 일정한 방향성을 가진 근섬유 구조를 형성하는데, 이를 모방하기 위해 미세 패턴이 형성된 지지체(Micro-patterned Scaffold)를 활용하거나, 유체역학적 배양 환경을 조성한다.

② 조직 강화 및 구조 안정화

• 조직의 구조적 강도를 높이기 위해, 교차결합(Cross-linking) 기술을 활용하여 ECM 네트워크를 강화할 수 있다.
• 또한, 전기적 자극(Electrical Stimulation) 및 기계적 스트레스(Mechanical Stress)를 통해 근섬유 형성을 촉진할 수 있다.

 

3) 혈관 형성 및 대량 생산 기술

3D 바이오프린팅을 통해 육류 조직을 형성할 때, 혈관 네트워크(Vascular Network) 형성이 필수적이다. 혈관이 없으면 조직 내로 영양소와 산소 공급이 원활하지 않아 조직이 일정 크기 이상 성장하기 어려운 문제가 발생한다. 이를 해결하기 위해 다음과 같은 기술이 연구되고 있다.

① 혈관 신생(Vasculogenesis)과 미세혈관 네트워크 형성

• VEGF(Vascular Endothelial Growth Factor)를 활용하여 모세혈관이 조직 내에서 자연적으로 성장하도록 유도
• 3D 바이오프린팅을 통해 혈관 구조를 미리 형성하고, 이후 세포를 배양하는 방식도 연구 중

② 대량 생산을 위한 업스케일링(Up-Scaling) 기술

• 산업화 단계에서는 대형 생물반응기(Bioreactor)를 활용하여 3D 프린팅된 조직을 대량으로 배양하는 기술이 필요
• 마이크로캐리어(Microcarrier) 기반 배양 시스템을 도입하여 세포 성장 밀도를 증가시키는 연구가 진행 중

 

세포외기질(ECM) 기반 스캐폴드 활용

배양육이 전통적인 동물성 육류와 동일한 구조적, 물리적 특성을 갖추기 위해서는 근육 세포와 지방 세포가 3차원적으로 배열되고, 조직 간 상호작용이 자연스럽게 이루어져야 한다. 하지만, 단순한 세포 배양 방식만으로는 근육 섬유 방향성과 결합 조직 형성을 효과적으로 구현하기 어렵다. 이를 해결하기 위해, 세포외기질(ECM, Extracellular Matrix) 기반의 스캐폴드(Scaffold, 지지체) 기술이 활용된다.

스캐폴드는 세포가 부착하여 성장할 수 있는 3D 구조물을 제공하며, 세포 간 상호작용을 촉진하고, 조직 형성을 유도하는 역할을 수행한다. 이를 통해 세포가 무작위적으로 배양되는 것이 아니라, 특정한 조직 구조를 형성하도록 유도할 수 있다.

 

1) 세포외기질(ECM)의 생물학적 역할과 스캐폴드 필요성

세포외기질(ECM)은 생체 조직에서 세포를 둘러싸고 있는 생체고분자 네트워크로, 세포 부착, 세포 신호 전달, 기계적 지지, 조직 형성 유도 등 다양한 기능을 수행한다. ECM은 단백질, 다당류, 글리코사미노글리칸(Glycosaminoglycan, GAG), 프로테오글리칸(Proteoglycan) 등으로 구성되며, 각 성분은 조직의 구조 및 기능에 중요한 영향을 미친다.

• 세포 부착(Adhesion) 및 조직 형성 유도
  • ECM은 세포 표면에 있는 인테그린(Integrin) 단백질과 상호작용하여 세포가 부착할 수 있도록 도와준다.
  • 이 부착 신호는 세포 증식(Proliferation), 분화(Differentiation), 이동(Migration) 등을 조절하여 조직 형성을 촉진한다.
• 기계적 지지(Mechanical Support) 제공
  • ECM은 세포가 조직 내에서 일정한 배열을 유지하도록 구조적 지지를 제공한다.
  • 콜라겐(Collagen)과 같은 섬유 단백질은 조직의 강도를 결정하며, 젤라틴(Gelatin)과 같은 성분은 유연성을 조절한다.
• 신호 전달 및 조직 특성 조절
  • ECM에 포함된 성장 인자(Growth Factors, 예: FGF, IGF, VEGF 등)는 세포가 특정한 조직으로 분화하는 데 중요한 역할을 수행한다.
  • ECM 내 특정 성분은 세포의 유전자 발현을 조절하여 근육 조직, 지방 조직 등으로 구분되는 과정을 촉진한다.

왜 스캐폴드(Scaffold)가 필요한가?

배양육을 생성할 때, 단순한 2D 배양 방식에서는 세포가 적절한 조직 구조를 형성하지 못하며, 3D 조직을 형성하기 위한 구조적 지지가 부족하다. 따라서 세포가 부착할 수 있는 3D 구조물(스캐폴드)을 제공하여 ECM과 유사한 환경을 조성하는 것이 필수적이다.

• 세포 간 균일한 분포 유도 : 스캐폴드는 세포가 고르게 분포하여 조직이 불균형하게 성장하는 문제를 해결할 수 있다.
• 근육 섬유 정렬 유도 : 근섬유는 일정한 방향성을 가져야 조직의 강도가 높아지고 씹는 감촉이 자연스러워진다.
• 조직 내 산소 및 영양 공급 최적화 : 조직이 일정 크기 이상 성장하려면 영양소와 산소가 효과적으로 전달될 수 있도록 다공성 구조(Porous Structure)를 가져야 한다.

 

2) 스캐폴드의 종류 및 특성

스캐폴드는 사용되는 생체 재료(Biomaterials)와 제조 방식에 따라 다양한 유형으로 구분된다.

① 생체 재료 기반 스캐폴드

스캐폴드를 제작하는 생체 재료는 천연 생체 재료(Natural Biomaterials)와 합성 생체 재료(Synthetic Biomaterials)로 나뉜다.

(a) 천연 생체 재료 기반 스캐폴드

• 콜라겐(Collagen) 기반 스캐폴드
  • 근육 조직과 유사한 기계적 특성을 가지며, 세포 부착 및 성장 촉진에 효과적
  • 세포외기질(ECM)의 주요 구성 요소로 생체 적합성이 뛰어나며, 자연적인 조직 형성을 유도
• 젤라틴(Gelatin) 기반 하이드로겔(Hydrogel) 스캐폴드
  • 수분 보유 능력이 뛰어나 조직의 탄력성을 유지
  • 온도 감응형 특성을 활용하여 배양 후 조직 강도를 조절할 수 있음
• 알지네이트(Alginate) 및 키토산(Chitosan) 기반 스캐폴드
  • 해조류 유래 생체 재료로, 세포 부착보다는 조직 지지 역할에 특화
  • 다공성이 높아 산소 및 영양소 확산에 유리함

(b) 합성 생체 재료 기반 스캐폴드

• 폴리락트산(PLA), 폴리카프로락톤(PCL) 기반 스캐폴드
  • 구조적 강도가 높아 조직을 일정한 형태로 유지할 수 있음
  • 분해 속도를 조절하여 장기간 배양할 때 안정적인 지지체 역할 수행
• 나노섬유(Nanofiber) 기반 스캐폴드
  • 전기방사(Electrospinning) 기법을 활용하여 나노미터 크기의 섬유 네트워크를 형성
  • 근육 섬유의 방향성을 조절하고, 세포 접착력을 강화하는 데 효과적

 

3) 스캐폴드 제조 기술 및 조직 형성 촉진 방법

스캐폴드는 미세 구조와 조직 형성이 최적화될 수 있도록 다양한 제조 기술이 적용된다.

① 전기방사(Electrospinning) 기반 스캐폴드 제조

• 고전압을 이용하여 나노섬유(Nanofiber)를 형성하고, 이를 적층하여 세포가 부착할 수 있는 지지체를 제작
• 나노섬유의 직경과 배열을 조정하여 근육 조직의 방향성을 조절할 수 있음

② 3D 프린팅을 활용한 스캐폴드 제작

• 하이드로겔과 생체 재료를 이용하여 미세 구조를 형성할 수 있음
• 세포가 특정 패턴에 따라 조직을 형성하도록 유도할 수 있음

③ 동적 배양(Dynamic Culture) 및 조직 성숙화

• 배양 중 기계적 자극(Mechanical Stimulation)과 전기적 자극(Electrical Stimulation)을 부여하여 근육 조직 강도를 강화
• 조직이 자연스럽게 성장할 수 있도록 생물반응기(Bioreactor)를 활용하여 배양 환경을 최적화

 

4) 배양육 스캐폴드 연구 및 개발 기업 현황

배양육의 생산에서 세포외기질(ECM) 기반 스캐폴드 기술은 세포가 3D 구조를 유지하면서도 근육과 지방 조직이 균형 있게 성장할 수 있도록 돕는 핵심 요소이다. 기존의 2D 세포 배양 방식에서는 조직의 방향성과 강도를 형성하는 것이 어렵기 때문에, 다양한 생체재료 및 기술을 적용한 스캐폴드 개발이 필수적이다. 현재 여러 기업들이 ECM 기반 스캐폴드 연구를 진행하고 있으며, 이들은 배양육의 상용화를 위한 생산 효율성 증대, 조직 구조 강화, 가격 경쟁력 확보를 목표로 하고 있다.

 

① 다나그린(DaNAgreen) – 3차원 세포배양 지지체 'Protinet™-P'

대한민국의 다나그린(DaNAgreen)은 식용 가능한 3D 세포배양 지지체 'Protinet™-P'를 개발하여 배양육 생산의 핵심 기술을 확보하고 있다. 'Protinet™-P'는 세포가 생체 내와 유사한 환경에서 성장할 수 있도록 설계된 스캐폴드 기술로, 배양육 대량생산을 위한 최적의 지지체로 평가받고 있다.

이 기술의 가장 큰 장점은 식품 산업에서 바로 적용할 수 있는 생체 적합성을 가지고 있으며, 대량생산이 용이하다는 점이다. 기존의 생물학 연구에서 사용되던 ECM 기반 스캐폴드는 대부분 의료 및 재생의학 목적으로 개발되었으나, 다나그린은 이를 식품용으로 최적화하여 배양육이 자연스럽게 조직화될 수 있도록 돕는 역할을 한다. 이를 통해, 배양육의 물리적 강도 및 씹는 질감을 향상시킬 수 있으며, 장기적으로는 비용 절감에도 기여할 것으로 기대된다.

 

② 알레프팜스(Aleph Farms) – 피브린(Fibrin) 및 콩 단백 기반 스캐폴드

이스라엘의 알레프팜스(Aleph Farms)는 배양육의 근육 조직을 재현하는 데 최적화된 피브린(Fibrin) 기반 스캐폴드를 활용하는 기술을 개발하고 있다. 이들은 2018년에 소 근육세포를 이용한 배양육을 성공적으로 생산했으며, 최근에는 배양육 생산 단가를 낮추기 위해 콩 단백 조직을 활용한 스캐폴드 개발에도 주력하고 있다.

피브린(Fibrin)은 자연적으로 혈액 응고 과정에서 형성되는 단백질로, 세포가 부착하고 조직화되기에 적합한 환경을 제공한다. 알레프팜스는 이 특성을 이용하여 배양육의 조직화를 자연스럽게 유도하는 스캐폴드를 개발하였다. 또한, 콩 단백 기반 스캐폴드는 식물성 성분을 활용하여 배양육의 생산 비용을 절감하면서도, 친환경적인 생산 방식을 도입할 수 있는 대안으로 연구되고 있다. 이를 통해, 배양육의 산업화와 지속 가능성을 동시에 확보할 수 있을 것으로 예상된다.

 

③ 씨위드(Seawith) – 해조류 기반 스캐폴드

대한민국의 씨위드(Seawith)는 해조류를 이용한 ECM 기반 스캐폴드를 개발하여, 두께감 있는 배양육을 생산할 수 있는 기술을 보유하고 있다. 해조류 기반 스캐폴드는 기존의 동물성 ECM 기반 스캐폴드보다 생산 비용이 낮고, 친환경적이며, 세포 배양에 필요한 산소 및 영양분 공급이 용이하다는 장점이 있다.

배양육의 가장 큰 도전 과제 중 하나는 조직의 두께를 증가시키면서도, 세포 내부까지 충분한 산소와 영양소를 공급하는 것이다. 씨위드는 해조류 유래 생체재료를 활용하여 미세 다공성 구조를 갖춘 스캐폴드를 개발하였으며, 이를 통해 배양육 조직이 두꺼워지더라도 내부까지 원활한 산소 및 영양소 공급이 가능하도록 설계하였다. 이는 향후 스테이크와 같은 고형 배양육을 상업적으로 생산하는 데 중요한 기술적 돌파구가 될 것으로 기대된다.

 

④ 티센바이오팜(TissenBioFarm) – 의료용 인공장기 기술을 응용한 배양육 스캐폴드

대한민국의 티센바이오팜(TissenBioFarm)은 의료용 인공장기 연구에서 발전된 스캐폴드 기술을 배양육 생산에 적용하고 있다. 기존의 배양육은 주로 분쇄육(햄버거 패티, 미트볼) 형태로 개발되었으나, 티센바이오팜은 덩어리 형태의 배양육을 만들 수 있는 기술을 확보하고 있다.

이 회사는 생체적합성 고분자 및 세포외기질(ECM) 재료를 활용하여, 실제 육류 조직과 유사한 구조를 형성할 수 있는 맞춤형 스캐폴드를 개발하고 있다. 특히, 3D 바이오프린팅 및 세포 배양 반응기(Bioreactor) 기술과 결합하여, 배양육이 자연스럽게 성장할 수 있도록 지원하는 방식을 연구 중이다. 이를 통해, 향후 고급육 시장을 겨냥한 배양육 개발이 가능할 것으로 기대되며, 소비자들에게 기존 육류와 거의 동일한 식감과 영양구성을 제공할 수 있을 것으로 예상된다.