Startups are racing to reproduce breast milk in the lab

인공 모유에 도전하는 스타트업들

많은 부모들이 아기에게 모유 대신 분유를 먹인다. 세포배양 기술이 모유에 더 가까운 것을 생산할 수 있을까?

2013년 여름날, 레일라 스트릭랜드(Leila Strickland)는 노트북PC 앞에 앉아 마크 포스트(Mark Post)가 실험실에서 재배한 햄버거를 최초로 공개하는 것을 넋을 놓고 보고 있었다.

분홍빛이 도는 납작한 패티를 만들기 위해, 네덜란드 마스트리히트대학(Maastricht University) 혈관생리학 교수인 포스트는 소 줄기세포로 가득 찬 수천 개의 조직 배양 플레이트를 태아 송아지 혈청 및 기타 영양소와 혼합한 뒤 근육 세포로 분화할 때까지 기다렸다. 이것은 이 자체로 흥미진진했다. 하지만 스트릭랜드의 마음은 세포 배양의 또 다른 잠재적인 응용 분야인 인간의 모유로 향했다.  

다른 대다수 엄마들처럼 스트릭랜드도 두 아이가 태어난 후 첫 6개월 동안 모유를 먹이고 싶어 했다.

의료계에선 모유 수유가 소화 문제와 발진, 무엇보다도 드물지만 미숙아에게 치명적일 수 있는 장내 질환인 괴사성 장염의 가능성을 줄여주기 때문에 유아에게 영양을 공급하는 가장 바람직한 방법으로 모유 수유를 꼽는다.

하지만 다른 대다수 엄마들처럼 스트릭랜드도 모유 수유에 어려움을 느꼈다. 3년 전에 태어난 첫 아들은 젖을 무는 것을 어려워했다. 아들이 젖을 물었을 때 그녀는 큰 통증을 느꼈다. 아들은 살이 빠지기 시작했고 그녀는 매일 아이에게 젖을 먹이고 젖을 짜며 하루를 다 썼다. 그럼에도 아들은 여전히 배고프다고 울었다. 이젠 얼마 전 태어난 딸까지 모유 수유 문제로 그녀의 애를 먹이고 있다.  

스트릭랜드는 부엌 식탁에서 포스트를 보면서 어떻게 그의 방법을 활용해서 인공 소고기 대신 모유를 생산하는 세포를 배양할 수 있을지 생각하기 시작했다. 스트릭랜드는 당시 친구에게 보낸 이메일에서 “임신 중인 여성에게 바늘생검으로 유방 조직검사를 받게 해서 아기가 태어나기 전 유방 조직에서 채취한 세포들을 배양해 모유를 생산할 수 있을지도 몰라”라고 흥분해서 썼다. 

스트릭랜드는 세포생물학 박사학위 취득 후 스탠포드에서 몇 년 간 연구원으로 있다가 의학 전문 에디터 및 라이터가 되었다. 이것은 일반 학자들보다 더 많은 독립성을 가지고 실험실로 돌아갈 수 있는 기회였다. 며칠 후, 스트릭랜드 부부에게 5,000 달러가 생겼고 그들은 그 돈으로 이베이에서 거대한 회색 조직배양 후드, 현미경, 인큐베이터, 원심분리기를 구입했다. 스트릭랜드는 그때를 회상하며 “장비들이 무진장 오래되었어요. 대부분이 1960년대 것 같았어요”라고 말했다.  

스트릭랜드는 수년 동안 프로젝트 비용을 충당하느라 애쓰다가 포기 직전까지 갔다. 하지만 그녀가 설립한 바이오밀크(biomilq)가 2020년 5월 빌 게이츠를 위시한 여러 투자자들로부터 350만 달러를 투자 받아 살아날 수 있었다. 현재 바이오밀크는 420억 달러 규모의 분유 산업이 탄생한 이래로 한 번도 볼 수 없었던 방식으로 유아 영양의 세계를 뒤흔들기 위해 싱가포르와 뉴욕에서 경쟁사들과 경쟁하고 있다. 

모유 수유는 예로부터 의학 지식의 발달뿐만 아니라 인종과 사회적 지위에도 영향을 받으며 인기가 있었다 없었다 했다. 아기 엄마가 아닌 다른 사람에게 수유를 맡기는 젖동냥의 기원은 적어도 고대 그리스로 거슬러 올라간다. 미국의 남북전쟁 전 백인 노예 주인들은 흑인 여성들에게 자신의 아이에게 모유를 먹이도록 강요했고 그로 인해 흑인 여성의 아이들은 충분히 모유를 먹지 못하는 경우가 많았다.  

1851년 상아색 핀으로 흡입구를 열었다 닫았다 하여 공기 흐름을 조절하는 정교한 코르크 유두 젖병이 프랑스에서 발명되어 젖동냥은 거의 멸종되었다. 그 직후, 독일의 화학자 유스투스 폰 리비히가 최초의 상업용 유아용 분유를 만들었는데, 이 분유는 우유, 밀, 맥아 밀가루, 그리고 약간의 중탄산칼륨으로 구성되어 있었다. 이 분유는 곧 이상적인 유아 식품으로 여겨지게 되었다.   

1972년 미국 유아들의 22%가 모유를 먹었는데, 이는 사상 최저치였다. 1936-1940년 사이 태어난 아이들은 77%가 모유를 먹었다.

20세기에 이르자 분유의 인기가 치솟았는데 그 이유 중 하나는 의사와 소비자에게 대대적인 광고가 이루어졌다는 점이다. 1954년 카네이션 연유 광고에는 환한 조명 속 엄마와 아이가 나오고 카네이션 연유를 먹이는 엄마 10명 중 8명은 의사 추천으로 구입했다는 문구가 나온다. 이후 분유 회사들은 병원에 무료로 분유를 주어 이제 막 엄마가 된 사람들에게 나눠주게 했다. 그와 동시에 더 많은 여성이 취업을 하여 지속적인 모유 수유가 더 어려워졌다. 분유가 모유 수유만큼 안전하고 효율적이라는 인식이 자리를 잡으면서 모유 수유 비율이 곤두박질치게 되었다. 1972년이 되자 미국 유아들의 22%가 모유를 먹었는데, 이는 사상 최저치였다. 1936년에서 1940년 사이에 태어난 아이들의 경우 77%가 모유를 먹었다.

현재 이 비율은 반등했고, 대체로 의사들은 모유가 유아에게 최고의 영양 공급원이라는 데 동의한다. 질병관리본부(CDC) 통계에 따르면 대부분의 미국 아기들(대략 84%)은 모유를 경험한다. 하지만 미국 소아과학회와 세계보건기구의 권고에 따라 생후 6개월간 모유만 먹는 아기는 전체 아기 중 4분의 1 밖에 되지 않는다. 

모유 수유가 쉽지만은 않다. 스트릭랜드가 경험했듯이, 아기가 젖을 잘 못 물기도 하고 때로 모유가 잘 나오지 않기도 한다. 아니면 모유 수유가 엄마에게 큰 통증을 유발하기도 한다.

게다가, 많은 신생아 엄마들이 일을 해야 하고, 직장에서 모유를 먹이거나 모유를 짜는 것은 불가능하진 않더라도 어려울 수 있다. 모유 수유는 분명 가난한 여성에게는 더 어려운 일이고, 특히 유급 육아휴가가 의무가 아니고 소수의 워킹맘들만이 육아휴가를 사용하는 미국과 같은 나라에서는 더 어려운 일이다.

스트릭랜드의 실험실 모유 프로젝트의 시작은 순탄치 않았다. 수백, 수천 달러의 비용이 들 수 있는 인간 유방 세포주(cell line)를 구입할 여유가 없어 소의 세포를 사용했다. 실험을 위해 그녀는 정말 많은 세포를 싸게 구해야 했다. 

2014년 2월 어느 주말, 스트릭랜드는 차 트렁크에 쿨러, 에탄올, 살균 기구들을 넣고, 20달러 지폐 뭉치를 호주머니에 쑤셔 넣고, 나무가 줄지어 늘어선 노스캐롤라이나 주간 고속도로를 타고 랜돌프 패킹에 갔다. 랜돌프 패킹은 아셰보로에 있는 가족 소유의 육류 가공회사로 주택가에 있는 벽돌 창고를 사업장으로 사용하고 있었다. 

매니저가 그녀를 가공구역으로 안내했고, 그곳에서는 최근에 도살된 소들이 가공을 위해 거꾸로 매달려 컨베이어 벨트를 따라 움직이고 있었다. 그녀는 시선을 바닥에 고정한 채 한 소의 젖통을 가리키며 “저것 주세요”라고 힘없이 중얼거렸다. 그녀는 임시 실험실로 돌아가 페트리 접시에 젖통 조각을 놓고 아미노산, 비타민, 미네랄, 소금을 뿌린 후 인큐베이터에 조심스럽게 넣어두었다. 

스트릭랜드는 다음날 부모님께 이런 메시지를 보냈다. “어제 도살장에 가서 방금 도살된 소의 젖통을 20달러를 주고 사 왔어. 당분간은 소고기를 먹지 못할 것 같아. 오늘 아침에 확인해보니 그새 세포가 자랐더라고! 어제 소는 죽었지만 그 소의 일부는 아직도 내 실험실에서 살아 있는 거지!” 

모유는 유관과 폐포에 있는 두 가지 유형의 세포에서 비롯된다. 폐포는 모유가 모이는 유선 내의 작은 주머니다. 내강 상피세포가 혈류로부터 영양분을 흡수하여 모유로 변환시킨다. 내강 상피세포 옆에는 매끄럽고 근육처럼 생긴 근상피세포가 유관과 폐포에 줄지어 있다. 아기가 젖을 빨기 시작하면 근상피세포가 수축하여 관을 통해 아기의 입으로 모유를 밀어낸다.

3년 동안, 스트릭랜드는 자신의 작은 임대 연구실로 노트북을 가져와서 글쓰기와 편집 과제를 하는 중간중간 실험을 했다. 그녀의 가장 큰 업적은 내강 상피세포가 연속적인 층을 형성하도록 하여 모유 합성에 중요한 공간을 유지하도록 한 것이었다. 그녀는 어떤 표면이 가장 건강한 세포분열을 촉발했고 세포 밀도가 성장률에 어떤 영향을 미치는지 알아냈다. 이러한 발견들 중 어떤 것도 새로운 것은 아니었지만, 그녀는 궁극적으로 인간의 세포에 적용하는 데 필요한 기술을 터득한 것에 만족했다.

2016년 스트릭랜드는 자금이 바닥나서 프로젝트를 중단해야만 했다. 하지만 프로젝트 생각이 머리에서 떠나지 않았다.

2016년 스트릭랜드는 자금이 바닥나서 프로젝트를 중단해야만 했다. 하지만 프로젝트 생각이 머리에서 떠나지 않았다. 2019년 점점 더 많은 세포배양 식품업체가 고기부터 생선, 치킨너겟에 이르기까지 모든 것을 실험실에서 만들려 나섰고, 그녀는 결국 친구들의 설득에 못 이겨 자신의 계획을 부활시켰다.  

스트릭랜드는 그녀와 함께 일할 다른 과학자 두 명을 고용했다. 2019년 8월 그들은 스타트업들에게 25만 달러의 종잣돈과 기타 지원을 제공하는 샌프란시스코의 유명한 생명공학 액셀러레이터 인디바이오(IndieBio)에 받아들여졌다. 그녀는 낮에 하던 일을 그만두고 풀타임으로 그 프로젝트를 시작했다. 

그러나 문제가 있었다. 스트릭랜드와 그녀의 두 파트너는 모두 과학적인 경험은 풍부했지만 사업 경험은 적었다. 4개월 간 캘리포니아로 이사 갈 준비를 하면서, 그들이 잘 맞지 않는다는 것이 분명해졌다. 

비슷한 시기에, 한 친구가 20대 후반의 식품 과학자 미셸 에거(Michelle Egger)에게 스트릭랜드를 소개했다. 에거는 어렸을 때부터 우유를 좋아했다. 그녀가 자란 미니애폴리스에서 열린 미네소타 주 박람회에서 진행된 청소년 버터 조각 대회에서 2위에 오르기도 했다. 퍼듀대학을 졸업한 후 제너럴밀스의 유제품 사업부에 취직했고 거기서 3년간 일한 뒤 듀크대 경영대학원에 입학했다. 스트릭랜드를 처음 만났을 때 2학년이었다. 
   
에거는 스트릭랜드의 제안에 흥분했다. 대부분의 유아용 분유는 제조 및 준비에 많은 양의 물을 필요로 하는 환경 집약적 유제품으로 구성된다. 야자유도 분유에 자주 들어가는 재료 중 하나다. 2015년 한 연구에 따르면 우유 분유 1kg을 생산하면 이산화탄소 4kg이 발생한다. 스트릭랜드의 접근법은 훨씬 효율을 높일 가능성이 있었다. 

처음에는 모든 것이 힘들었다. 팀의 변화로 바이오밀크가 인디바이오에서 자리를 잃게 되었다. 바이오밀크는 여러 연구 보조금을 신청했지만 받는 데 실패했다. 바이오밀크가 돈이 바닥날까 봐 걱정한 스트릭랜드는 예전 상사에게 직장 복귀에 대해 이야기했다. 에거 또한 조용히 일자리를 찾기 시작했다.

바이오밀크가 문을 닫기 직전, 스트릭랜드와 에거는 빌 게이츠가 탄소 배출 저감 기술을 후원하기 위해 설립한 브레이크스루에너지벤처(Breakthrough Energy Ventures) 등의 투자자들로부터 350만 달러의 자금 지원을 약속받았다. 투자자들은 분유 업계를 혁신해 탄소 배출량을 줄일 수 있다고 기대했다. 2020년 봄에서 여름으로 넘어가는 시점에 350만 달러가 바이오밀크의 은행 계좌에 들어왔다.  

바이오밀크는 새로운 종류의 아기용 분유를 만드는 것을 목표로 하는 유일한 회사가 아니다. 싱가포르 터틀트리랩(TurtleTree Labs) 역시 대략 유사한 접근으로 궁극적으로는 “시장에 있는 모든 우유를 대체하기를” 희망하고 있다. 이 회사 공동창업자 맥스 라이(Max Rye)는 모유의 특성을 복제하기 위해 분유에 첨가할 수 있는 ‘강화제’를 개발하고 있다. 몇몇 분유들은 이미 합성되었거나 소 우유에서 얻은 단백질과 탄수화물로 강화되었다. 또 다른 공동 창업자 펭루 린(Fengru Lin)은 바이오밀크와 달리 분유업계와 협력할 계획이고 2021년 제품을 시장에 내놓을 수 있기를 바란다고 이야기한다.

한편, 뉴욕에 본사를 둔 헬라이나(Helaina)는 발효를 통해 모유를 모방할 예정이다. 이 회사의 설립자인 로라 카츠(Laura Katz)는 미생물을 사용하여 우유의 성분인 단백질, 탄수화물, 지방을 합성한 다음 그것들을 영양가 있는 액체로 재조합할 계획이다. 이미 미국 식품의약국(FAD)가 발효한 콩 단백질로 만든 ‘임파서블 버거’와 같은 제품을 승인했기 때문에, 로라 카츠는 경쟁사들보다는 규제가 덜하길 바라고 있다. 스트릭랜드와 에거처럼, 그녀도 새로운 부모들에게 선택권이 너무 없다는 것에 분노해 시작하게 되었다. 

그녀는 “우리가 할 수 있는 최선의 방법은 여성들이 모유를 먹일 수 있도록 지원하는 것이라고 생각한다. 하지만 만일 그것이 불가능하다고 해도 엄마들은 현재 분유보다는 더 나은 것을 받을 자격이 있다. 햄버거를 먹고 싶어 하는 사람들을 위한 세포 기반 육류 생산에서는 온갖 혁신이 일어나는데 아기들이 먹는 제품은 지난 20, 30년 동안 정체되었다”라고 말한다.

이러한 제안 중 어떤 것도 과학적으로 간단하지 않다. 그 이유 중 하나는 모유에 대해 알려진 것이 거의 없기 때문이다. 인간의 유방 상피세포에 대한 대부분의 연구는 모유 생산보다는 유방암과 관련해서 이 세포들이 하는 역할에 초점을 맞추고 있다.

모유는 수천 가지의 화학 물질로 이루어진 풍부하고 놀랄만한 혼합물이다. 북미 모유은행협회(Human Milk Banking Association)의 연구부장이자 아이오와 대학에서 교편을 잡고 있는 타라 코라이지(Tarah Colaizy)는 “우리는 우유에 있는 단백질, 탄수화물, 지방에 대해 영양학적으로 알고 있다. 우유에 있는 생체활성 분자에 대해서도 안다. 예를 들어, 올리고당류(아기의 장에 있는 유익균을 먹이는 복합당), IgA(모유에서 발견되는 주요 항체), 담즙염 자극 리파아제(지방의 소화를 돕는 효소) 같은 것들이다. 이것들은 사람들이 늘 모유의 좋은 성분으로 꼽는다”라고 말했다. 그러나 그녀는 모유에도 짧은 RNA 가닥이 들어 있는데 이 RNA는 2010년 발견되었고 유아의 발달에 어떤 역할을 하는지는 알려져 있지 않다고 설명한다.

이것이 스트릭랜드와 에거가 샘플 내 다른 분자들의 질량을 측정하는 기술인 질량분석법을 사용하여 자사 제품에 포함된 단백질, 올리고당, 지방이 어떻게 인간의 모유와 다른지 연구하려는 이유다. 하지만 더 큰 과제가 있다. 각 엄마에게 고유한 물질을 어떻게 표준화할 것이냐이다. 

모유는 아이가 자라면서 성분이 변한다. 산후 처음 며칠 동안엔 초유가 나온다. 초유는 노란색의 걸쭉한 농축 모유로, 항체 IgA와 아기의 면역력을 높여주는 풍부한 단백질인 락토페린과 같은 화합물로 가득하다. 곧 초유는 덜 걸쭉하지만 더 많은 지방과 유당을 포함한 ‘이행유’로 대체된다. 약 2주가 더 지나면 ‘성숙유’가 된다. 심지어 한번 모유를 먹이는 동안에도 성분이 바뀔 수 있다. 수유 막바지에 나오는 후유는 수유 초기 모유보다 지방 함량이 더 높기 때문에 한쪽 유방에서 모유를 다 주고 난 다음에 나머지 하나의 유방에서 먹이라고 자주 권장된다.   

비록 에거와 스트릭랜드가 이런 모유의 복잡성을 재현할 수 없고, 여성의 모유에 들어있는 항체나 미생물을 모두 복제할 수 없을 것이라고 인정하지만, 그들은 자사 제품이 경쟁사 제품보다 더 개인화될 것이라고 말한다. 스트릭랜드가 2013년에 상상했던 것처럼, 그들은 임신한 여성들과 협력할 계획이다. 엄마들의 유방 상피세포 샘플을 채취해서 배양해 출산 후 먹일 개인화된 모유를 만들 계획이다. 그 후, 에거와 스트릭랜드는 기증된 세포를 사용하여 더 경제적인 제품을 만들기를 희망한다. 두 제품 모두 분유보다는 나을 것이라고 에거는 주장한다.

바이오밀크 연구원들은 현재 노스캐롤라이나주 더럼에 있는 흰색 실험실 공간에서 일한다. 다른 여러 바이오테크 스타트업도 이 공간을 사용하고 있다. 영하 80°C로 맞춰진 냉동실에 수많은 기증자의 세포들로 가득 찬 테스트 튜브를 보관하고 있다. 유방절제수술 뒤 자신의 유방 조직을 기증한 27세 여성의 세포처럼, 그중 일부는 무한히 증식하도록 조작되어 ‘불멸의’ 상태가 되었다.  

스트릭랜드와 에거는 이미 락토스와 모유에서 발견되는 주요 단백질과 당 화합물인 카세인을 모두 함유한 액체를 생산했다. 이들은 현재 올리고당이나 지질 같은 다른 성분들을 탐지할 수 있는지 알아보기 위해 이 액체를 시험하고 있다. 또 어떤 조합이 천연 모유 성분과 가장 가까운지 보기 위해, 세포 배양할 때 사용하는 장비와 영양소를 만지작거리고 있다. 이들은 모유에 충분히 가까운 것을 찾는 데 약 2년이 걸릴 것이라고 추정하고 있다.   

9월의 어느 금요일 아침, 스트릭랜드는 300만 개의 세포가 들어 있는 시험관을 꺼내 양손으로 녹이고 나서 플라스틱 조직 배양 플레이트에 세포들을 펼쳐 놓았다. 그러고 나서 한 동료가 그 접시에 53가지의 소금, 비타민, 미네랄, 아미노산을 함유한 따뜻한 노란색 액체를 뿌렸다. 일단 플레이트의 표면 대부분이 복사된 세포로 덮이면 세포들을 투명한 성장 촉진 튜브가 있는 작은 플라스틱 생물반응장치로 이동시킬 계획이었다. 약 한 달 후에, 세포들은 모유와 유사한 물질을 분비하기 시작할 것이다. 스트릭랜드는 작은 문제가 하나 있다고 말한다. “이게 아직 이름이 없어요.”

미리보기 3회1회

MIT Technology Review 구독을 시작하시면 모든 기사를 제한 없이 이용할 수 있습니다.