배양육은 어떻게 만들어질까? 세포 배양과 지지체 기술 완전정리

인공 배양육의 문을 여는 기술, 그 시작은 세포에서부터

지금 세계는 ‘고기를 재정의하는’ 시대에 들어섰다. 인공 배양육은 이제 더 이상 상상 속의 과학 기술이 아니다. 탄소 배출을 줄이고, 동물 복지를 고려하며, 식량 안보까지 포괄할 수 있는 해결책으로 부상한 이 기술은 단순히 고기를 실험실에서 만든다는 것을 넘어, 복잡하고 정교한 생명공학의 결정체로 주목받고 있다. 미국, 이스라엘, 싱가포르 등 주요 선진국은 이미 상용화를 눈앞에 두고 있으며, 우리나라 또한 배양육의 연구 개발과 규제 정비에 속도를 내고 있다. 이 흐름 속에서 가장 중요한 기술은 바로 세포를 다루는 방법이다.

 

인공 배양육은 크게 네 가지 기술 단계로 구분된다. 첫 단계는 동물의 근육에서 줄기세포를 추출하는 과정이다. 이어지는 단계는 이 세포를 배양액 속에서 증식시키는 기술이며, 이후에는 지방이나 근육 등 원하는 조직으로 분화시키는 공정이 뒤따른다. 마지막으로, 사람의 식감과 유사한 고기 조직을 만들기 위한 지지체 설계와 미세 환경 조절이 필요하다. 각 단계마다 고도화된 생명공학과 소재공학 기술이 접목되며, 이 모든 과정은 서로 유기적으로 맞물려야만 최종적인 식품으로 이어질 수 있다.

 

이번 글에서는 인공 배양육 기술을 ‘공정’ 단위로 나누어 차례대로 살펴본다. 세포를 어떤 기준으로 선택하고 확보하는지, 배양 환경은 어떻게 설계되는지, 그리고 지지체 기술은 어떤 진화를 거듭하고 있는지를 중심으로 최신 R&D 자료를 반영해 정리할 예정이다. 특히 KOFST(한국과학기술단체총연합회)와 KFN(한국식품영양과학회) 등에서 발표된 학술 기반 자료를 중심으로, 실용적이고 구체적인 기술적 이해를 제공하고자 한다. 이 글이 배양육 산업에 관심 있는 연구자, 기업가, 혹은 미래 식문화에 관심 있는 독자 모두에게 유익한 안내서가 되기를 기대한다.

 

세포 채취와 배양의 첫 단추, 줄기세포 확보와 증식

배양육의 시작은 한 마리 동물로부터 ‘필요한 세포’를 정확하게 골라내는 데서 출발한다. 주로 사용되는 세포는 위성세포(satellite cell), 즉 근육 내 줄기세포로, 세포 분열을 통해 근육세포로 성장할 수 있는 특성을 지닌다. 이 세포는 도축 없이 생체조직에서 간단한 생검만으로 확보할 수 있다는 점에서 동물복지 측면에서도 의미가 크다. 일부 연구에서는 제대혈 유래 세포나 지방 조직 내 간엽 줄기세포 등 대체 세포원도 실험되고 있지만, 근육세포로의 분화 효율을 고려하면 위성세포가 여전히 가장 우수한 것으로 평가받는다.

 

줄기세포를 확보한 이후에는 배양과 증식이 이루어진다. 초기에는 일반적인 세포 배양기술이 활용되지만, 산업화 단계에서는 대규모 생산이 가능하도록 생물반응기(bioreactor)라는 전용 장비가 사용된다. 생물반응기는 온도, pH, 산소 농도, CO₂ 농도, 교반 속도 등을 정밀하게 조절해주며, 세포가 스트레스 없이 자연스럽게 증식할 수 있는 환경을 만들어준다. 이때 배양액의 조성은 특히 중요하다. 영양분, 성장인자, 아미노산, 포도당, 무기염 등이 포함되며, 기존에는 동물 혈청(FBS)이 주로 사용되었지만, 윤리적·경제적 문제로 인해 현재는 식물성 성분 기반의 혈청 대체 배지 개발이 활발히 진행 중이다.

 

줄기세포의 증식 속도는 배양환경에 따라 천차만별이다. 성장인자의 농도, 세포 밀도, 산소 공급량 등이 적절히 조율되지 않으면 증식은 물론 분화까지 영향을 받을 수 있다. 실제로 한국식품연구원에서는 1제곱센티미터의 세포에서 시작해 100만 배 이상 증식하는 데 성공한 연구를 발표한 바 있으며, 이는 단일 세포에서 단백질 공급원을 대체할 정도의 육류를 만들 수 있음을 시사한다.

 

이러한 기술은 단순히 생물학적 이해에 그치지 않고, 대량 생산을 위한 공정 최적화라는 과제와 맞물린다. 특히 상업화 단계에서는 세포 증식에 소요되는 시간, 배양액의 교체 주기, 불순물 제거 공정 등이 생산비와 직결되기 때문에, 세포 증식률을 높이면서도 안정성을 확보하는 것이 핵심이다. 세포 단위의 기술은 이후 조직 분화와 지지체 결합으로 이어지는 모든 공정의 기초가 되므로, 초기 단계부터 정밀한 관리가 필요하다.

 

조직 분화와 지지체 설계의 기술 진화

세포의 증식이 일정 수준에 도달하면, 그다음은 조직화 과정으로 넘어간다. 여기서 핵심은 단순히 세포를 늘리는 것이 아니라, 실제 고기와 같은 섬유 구조와 식감을 구현하는 것이다. 이를 위해 세포는 근육, 지방, 결합조직 등으로 분화되어야 하며, 이 분화 과정은 성장인자 조성, 배양 환경, 기계적 자극 등에 의해 유도된다. 예를 들어, 근육세포로 분화시키기 위해서는 인슐린유사성장인자(IGF), 데스모포닌 등의 인자가 사용되며, 지방세포의 경우에는 인슐린과 글루코코르티코이드가 혼합된 배지가 적용된다.

 

그러나 아무리 세포가 적절히 분화되더라도, ‘고기다운’ 형태를 갖추기 위해서는 지지체 scaffold 기술이 반드시 필요하다. 지지체는 세포가 부착하고 자랄 수 있는 구조로, 영양분의 전달, 폐기물 제거, 조직의 3차원적 구조 형성까지 가능하게 해주는 일종의 미세 골조다. 초기에는 젤라틴, 콜라겐, 알긴산과 같은 천연 물질이 주로 사용되었지만, 최근에는 식용 가능한 바이오폴리머와 3D 프린팅 기술이 접목된 지지체가 각광받고 있다. 이 지지체는 고기의 결 조직을 모사할 수 있는 물리적 구조를 구현하면서도, 섭취 후 체내에서 안전하게 분해될 수 있어야 한다.

 

한편 지지체의 선택은 단순히 구조적인 문제만이 아니라, 세포와의 상호작용을 통해 조직 형성에 직접적인 영향을 미친다. 예컨대, 너무 단단한 지지체는 세포의 부착률을 낮추고 분화를 방해할 수 있으며, 반대로 지나치게 연한 구조는 조직 형성 중 붕괴될 위험이 있다. 이 때문에 최근 연구에서는 탄성 조절이 가능한 하이드로젤 기반 지지체, 혹은 전도성 고분자를 활용해 세포의 신호 전달까지 고려한 설계가 시도되고 있다. 나아가 식감 개선을 위해 섬유 방향성까지 조절하는 기술도 개발되고 있으며, 이는 단순한 실험실 수준을 넘어서 소비자 기호까지 반영하려는 진일보한 시도라 할 수 있다.

 

조직 분화의 마지막 단계에서는 외형의 정렬성과 성숙도를 높이기 위한 기계적 자극이 더해진다. 예컨대 전기 자극이나 기계적 진동을 통해 근섬유를 자극하면, 실제 가축의 움직임처럼 근육 조직이 강화되는 효과가 나타난다. 싱가포르 및 이스라엘의 선도 기업들은 이미 이와 같은 기술을 통해 지방 함량 조절 및 탄력 있는 배양육을 시제품으로 구현하고 있으며, 이는 상용화 직전 단계에서의 품질 경쟁력을 가늠하는 주요 지표로 평가된다.

 

결국 조직화와 지지체 설계는 인공 배양육을 단순한 단백질 공급원이 아닌, 소비자가 ‘진짜 고기’로 인식할 수 있는 수준으로 끌어올리는 핵심 기술이다. 이러한 기술들이 상호 보완적으로 발전할 때, 인공 배양육은 기존 축산업을 대체할 수 있는 진정한 전환점에 도달할 수 있다.

 

최신 R&D 동향과 상용화 전환의 기술 과제

인공 배양육의 상용화를 위한 여정은 단순한 연구를 넘어, 대량 생산 가능성과 경제성 확보라는 이중의 벽을 넘어야만 한다. 2023년과 2024년 사이에 미국 식품의약국(FDA)은 Eat Just와 Upside Foods의 배양육 제품에 대해 최초로 인체 소비 승인(Generally Recognized as Safe)을 부여했고, 싱가포르는 이미 2020년부터 레스토랑 판매를 허용했다. 이처럼 규제의 문이 열리고 있지만, 실제로 시장에 진입하기 위해선 여전히 높은 기술 장벽이 존재한다.

 

대표적인 과제는 단연 배양액 비용이다. 현재 배양액의 주성분인 성장인자는 생산 단가가 매우 높으며, 이를 대체할 수 있는 식물 기반 성장인자나 재조합 단백질이 활발히 연구되고 있다. 예컨대 국내에서는 식물세포 배양 기술을 이용해 성장인자를 대량 생산하는 프로젝트가 추진 중이며, 일본에서는 발효 기반의 미생물 시스템을 활용한 저비용 배양액 개발이 주목받고 있다. 최근 이스라엘의 Aleph Farms는 무혈청 배지로 가격을 10분의 1 수준까지 낮춘 사례를 공개하기도 했다.

 

또 하나의 핵심 과제는 지속적이고 자동화된 생산 시스템 구축이다. 수작업으로 이루어지던 세포 이식과 지지체 조립 공정을 자동화하기 위한 3D 바이오프린팅, 스마트 생물반응기, AI 기반 배양 모니터링 기술이 활발히 도입되고 있다. 이러한 자동화 기술은 품질의 일관성을 보장하는 동시에 생산 단가를 낮추는 열쇠이기도 하다. 특히 대형 생명공학 기업들은 AI와 로봇 기술을 융합한 ‘지능형 배양 공정’의 상용화를 목표로 연구를 가속화하고 있다.

 

그 외에도 보존성과 유통 안정성 확보 또한 상업화를 위한 필수 조건이다. 살아 있는 세포로 구성된 배양육은 열이나 산소에 민감하기 때문에, 냉장·냉동 보관에서의 구조 안정성 유지, 조직 재결합 방지 기술 등이 필요하다. 이에 따라 일부 기업은 배양육의 표면을 젤 형태로 코팅하거나, 수분 함량을 조절하는 스마트 포장 기술을 실험하고 있다.

 

또한, 소비자 수용성 역시 간과할 수 없다. 아무리 기술이 앞서 있더라도 소비자가 이를 ‘진짜 고기’로 받아들이지 않는다면 시장성은 떨어진다. 이 때문에 기업들은 실제 육류와 유사한 색상, 향미, 질감을 구현하기 위해 마이오글로빈 유도체, 휘발성 향기 성분 제어, 식감 제어 펩타이드 등을 적용하고 있으며, 맛 테스트를 반복하고 있다. 국내에서도 일부 스타트업이 한우의 식감과 향미를 모사한 배양육 개발에 착수해 시범 모델을 개발한 바 있다.

 

이처럼 배양육은 단순한 생물학 기술이 아닌, 소재공학·식품공학·기계공학·데이터 과학이 융합되는 복합 분야로 진화하고 있다. 앞으로의 과제는 단지 고기를 ‘만드는 것’이 아니라, 지속 가능하게, 경제적으로, 그리고 문화적으로 받아들여지게 하는 것에 있다. 이 지점에서 배양육 산업의 성패가 갈릴 것이다.

 

생명과학이 여는 식문화의 전환점

인공 배양육은 단순한 대체육이나 친환경 먹거리로만 정의되기 어렵다. 그것은 지금 이 순간에도 전 세계 과학자와 식품공학자, 엔지니어, 규제 당국이 공동으로 그려가는 새로운 식문화의 실험장이며, 전통 축산업과 인간 식습관의 패러다임을 바꾸는 변곡점이 되고 있다. 세포 추출에서 조직 분화까지, 그리고 지지체 설계와 생산 자동화에 이르기까지의 기술적 진보는 단순히 고기를 복제하는 데서 멈추지 않는다. 그것은 인간이 생물학적 재료를 이용해 식재료를 ‘디자인’하는 시대의 서막을 알리고 있다.

 

특히 이 기술은 환경적 측면에서 더욱 큰 의의를 가진다. 기존 축산업은 온실가스 배출, 사료 소비, 물 사용, 토지 훼손 등 다방면에서 지속 가능성을 위협하는 산업이었다. 반면 배양육은 동일한 영양적 효능을 유지하면서도 자원 소비를 획기적으로 줄일 수 있으며, 위생적인 생산환경과 동물복지에 대한 고민을 포함할 수 있다. 이는 단순한 식품이 아니라, ‘윤리적 소비’의 가장 강력한 대안으로 떠오르는 이유이기도 하다.

 

물론 아직까지 해결해야 할 과제도 많다. 규제 제도의 미비, 소비자 수용성, 가격 경쟁력 등은 앞으로 수년간 산업 발전을 가늠할 중요한 변수다. 그러나 기술의 진보는 언제나 초기에는 거부감을 동반했고, 시간이 지나면서 일상으로 스며들었다. 스마트폰, 전기차, 인공지능 모두 그러했다. 배양육 역시 그러한 진화를 반복할 가능성이 충분하다. 특히 젊은 세대일수록 기술 기반 소비에 거부감이 적고, 지속가능성과 윤리성에 민감하다는 점은 배양육 시장의 확산 가능성을 더욱 높인다.

 

국가 차원에서도 배양육은 식량 안보와 식품 기술 주권의 문제로 직결된다. 각국은 자국의 연구개발을 통해 독자적인 배양 플랫폼을 구축하고 있으며, 향후에는 글로벌 식량 거래 질서까지 변화시킬 수 있는 전략 산업으로 간주되고 있다. 단순한 ‘미래 식품’이 아니라, 국가 경쟁력을 좌우할 수 있는 핵심 산업으로 받아들여지는 것이다.

 

결국 인공 배양육은 공학이 인간 삶에 미치는 영향, 그리고 생명과학이 바꿔놓을 미래 사회의 단면을 가장 상징적으로 보여주는 사례다. 기술이 더 정교해질수록 고기의 정의는 점점 더 확장되고 있다. 고기는 더 이상 동물을 죽여야만 얻을 수 있는 자원이 아니다. 우리가 상상하던 식탁의 미래는 이미 실험실 안에서 현실이 되고 있으며, 우리에게 아직 도달하지 않았을 뿐 그 변화의 물결은 우리 모두에게 닿을 준비를 하고 있다.