흩어져 있는 정보의 점을 꿰면, 전체 시스템을 이해할 수 있는 귀한 자료가 나온다. 과학자들은 생명체 전체를 손바닥 보듯 꿰기 위해 제각기 다른 세포의 정보를 모은 ‘세포지도’를 만들고 있다. 그중 단연 가장 큰 규모는 인체의 세포 30조 개를 정리하는 인간 세포 아틀라스(HCA)’다. 21세기 최대의 국제 생명과학 공동연구 프로젝트인 HCA가 10년째를 맞이했다. 세포의 위치를 측량하는 연구자들을 만나, 세포지도가 만들어 갈 내일을 물었다.

AI 생성 이미지(Midjourney), 박주현

 

형광빛의 화려하고 복잡한 두 이미지는 서로 달라 보이지만, 둘다 세포지도다. 세포지도란 개념이 무척 넓기 때문이다. 큰 틀에선 인체의 세포가 어디에 있고 어떻게 활동하는지, 생명체 내의 세포를 디지털 환경 속에 옮겨놓은 결과물이다. 이중 두 가지 주요 갈래인 세포 아틀라스와 뇌 연결지도를 대표적인 국제 공동연구 프로젝트와 함께 정리했다.
 

Shutterstock, Flywire, ETH Zürich/Barbara Treutlein

 

세포의 정보를 한눈에 본다, 세포 아틀라스(Cell Atlas)

 

세포 아틀라스는 생명체를 구성하는 모든 세포의 종류와 상태를 분류하고, 이들이 몸속 어디에 존재하는지 기록한 세포지도다. 어떤 세포가 어떤 유전자를 켜고 끄는지, 각각의 세포가 어떻게 상호작용하는지 등 다양한 정보를 알 수 있다. 세포 아틀라스는 정상 세포나 암세포, 노화중인 세포 등의 특성을 분석하는 데 큰 도움이 된다. 특히 디지털 환경 속에 인체를 그대로 옮겨놓아, 신약 개발 과정에서 약물이 실제로 인체에 어떻게 작용할지 실시간으로 분석하는 데 유용하게 활용된다. 

 

대표 프로젝트: 인간 세포 아틀라스(HCA·Human Cell Atlas)
2016년 시작한 HCA는 인체의 30조 개 세포를 유형별로 정리해 세포 아틀라스를 만들고 있다. 18개 세부 조직 아틀라스를 정리한 첫 번째 초안이 내년 중으로 발표될 전망이다. 

 

HCA에서 제작한 인간 뇌 오가노이드 세포 아틀라스 속 조직 
❶ 피질판: 뇌 발달 과정에서 세포들이 이동해 대뇌 표면에 형성하는 층
❷ 뇌 실하구역: 신경세포가 생성되는 핵심 영역
❸ 뇌실구역: 뇌척수액이 흐르는 빈 공간을 둘러싸는 세포
❹ 신경 로제트: 신경 줄기세포 분화 초기 단계에서 발견되는 방사상 구조의 줄기세포 집단

 

Shutterstock, Flywire, ETH Zürich/Barbara Treutlein

 

신경세포를 연결해 하나의 뇌를 만든다, 뇌 연결지도(Brain Connectome)

뇌 연결지도는 뇌 속 신경세포(뉴런)들이 서로 어떻게 연결돼 있는지 기록한 세포지도다. 신경세포의 연결을 분석하면, 뇌가 어떻게 기능하는지 알 수 있다. 신경세포의 연결 구조에 따라 기억과 정보 처리, 사고 등 다양한 기능을 수행할 수 있기 때문이다. 일종의 ‘뇌 배선도’라고 이해하면 된다. 전자 회로에 문제가 발생할 때, 배선도를 보며 구체적으로 어떤 도선에 문제가 생겼는지 찾는다. 뇌 연결지도도 유사하게 활용될 전망이다. 알츠하이머나 자폐 스펙트럼 장애처럼 신경 회로 이상이 관련된 질환 연구부터 의식의 기원에 이르기까지, 인간의 본질에 관한 중요한 단서를 제공할 것으로 기대된다. 

 

대표 프로젝트: 플라이와이어(FlyWire)
뇌 연결지도 분야의 대표적인 국제 공동 연구 프로젝트로는 초파리 뇌 연결지도를 제작한 ‘플라이와이어(FlyWire)’가 꼽힌다. 초파리 뇌의 뉴런 약 13만 9000개를 연결한 전체 뇌 연결지도는 2024년 10월 발표됐다. 

 

플라이와이어에서 제작한 초파리 뇌 연결지도 속 조직
❶ 시엽: 시각 정보를 처리하는 곤충 뇌의 가장 큰 부분
❷ 더듬이엽: 후각 정보를 처리하는 뇌 기관
❸ 버섯체: 곤충의 뇌에서 학습과 기억을 담당하는 핵심적인 신경 구조물