| 생명공학 - 꿈의 기술을 현실 세계에서 만난다 | |||||||||||||
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| 글 | 박태현/서울대 공대 응용화학부 교수ㆍthpark@plaza.snu.ac.kr |
바야흐로 생명체의 운명을 좌우하는 정보를 담고 있는 유전자를 자유자재로 조작할 수 있는 시대다. 하루가 다르게 발전하고 있는 생명공학 기술은 미래의 인류에게 안락하고 건강한 삶을 선사할 것이다. 생명 정보를 담고 있는 DNA를 마음대로 변화시킬 수 있다면? 생명체의 운명을 원하는대로 바꿀 수 있을 것이다. 예를 들어 세포를 금방 죽게 할 수도 있고, 오래 살게 할 수도 있고, 세포가 생산할 수 없었던 새로운 물질을 만드는 능력을 부여할 수도 있을 것이다. 이런 일이 정말 가능하다면 생명을 연장하거나 난치병을 치료할 수도 있고 코끼리만한 돼지, 인삼 성분이 들어 있는 바나나도 만들 수 있고…. 이처럼 즐거운 상상들이 생명공학 기술로 머지않아 현실이 될 전망이다. 주가상승 신기록 세운 제넨텍
필자가 한 기업체에서 연구원으로 일하던 때 모 일간지의 회사 광고란에 ‘바이오테크놀로지를 선도하는 기업’이라는 슬로건 아래, 줄기에는 고추가 열리고 뿌리에는 마늘이 달린 ‘마고추’라는 환상적인 그림이 커다랗게 게재됐다. 필자가 일하던 회사의 광고였다. 물론 그 그림은 생명공학이 가져다줄 미래의 결과를 상상해 그린 것이었다. 며칠 후 연구실에 전화 한통이 걸려왔다. “저는 유성에 사는 농부인데요, 마고추 씨 좀 살 수 있을까요?” 너무 당혹스런 질문이라서 전화를 받은 연구원은 어찌할 바를 모르고 얼떨결에 이렇게 말했다. “연구소는 판매와 관계가 없으니 본사 영업부로 문의해 보세요.” 전화를 끊고 난 후 연구원들은 한바탕 웃을 수밖에 없었다. 하지만 순박한 농부에 대해 못내 미안한 마음이 들었다. 그리고 그런 질문에 떳떳하게 대답할 수 있을 날을 기대하며 한층 더 열심히 연구해야겠다는 다짐이 연구원들의 마음속에 자리잡았다. 1980년 10월 15일 뉴욕의 증권거래소에서는 주식시장 역사상 최고의 주가 상승이 기록됐다. 미국의 바이오테크놀로지 회사인 제넨텍(Genentech)의 주식이 거래를 시작하자마자 단 20분만에 35달러에서 89달러로 급상승한 것이다. 제넨텍이 세계 최초로 박테리아에서 당뇨병 치료제인 인간 인슐린을 생산할 수 있는 기술을 개발한 덕분이었다. 그동안은 당뇨병 치료를 위해 돼지로부터 얻은 인슐린을 사용해왔는데, 일부 환자들의 경우 돼지 인슐린에 알레르기가 있어 치료에 어려움이 많았다. 제넨텍의 기술은 이런 환자들에게 커다란 희소식이 아닐 수 없었다. 이는 또한 인간만이 만들 수 있던 인체 내 물질을, 사람의 유전자를 주입한 박테리아로부터 생산했다는데 커다란 의미가 있다. 제넨텍의 주식이 처음 거래된 당시는 DNA 조작 기술을 산업화하기 위해 이 회사가 설립된지 4년이 지난 시점이었다. DNA 조작 기술 산업화의 성공은 그야말로 꿈같은 상상이 현실화되기 시작했다는 사실과 함께 이 기술의 무한한 가능성을 여실히 보여줬다. 이 영향으로 1980-1983년 사이 미국에 소규모 바이오테크놀로지 회사가 2백여개나 탄생했다. 이들 회사는 생물학적 기술을 이용한 새로운 연구에 기반을 두고 있다. 많은 대학교수와 연구원이 바이오테크놀로지 회사의 사장이나 중역으로 변신했다. 1985년에는 미국 내의 바이오테크놀로지 회사가 4백여개로 늘어났으며, 1990년대 중반에는 1천개 정도로 더욱 증가했다. 국내에서도 1980년대 말부터 인터페론을 비롯해 DNA 조작 기술을 이용한 제품들이 생산·판매되기 시작했으며, 현재는 더욱 다양한 제품들이 나오기 시작했다. 국내에서도 꿈의 기술인 바이오테크놀로지가 제품 생산이라는 현실로 나타난 것이다. 생명체 조작이 현실화
‘바이오테크놀로지’란 용어는 1917년 헝가리 공학자인 카를 이레키가 처음 사용했다. 그는 바이오테크놀로지를 ‘살아 있는 생명체의 도움을 얻어 원료 물질로부터 유용한 물질을 생산하는 모든 작업’이라고 기술했다. 현재는 바이오테크놀로지를 다양하게 정의하고 있으나, 일반적으로 ‘살아 있는 생명체를 직접적으로 이용하는 기술 또는 생명체로부터 추출된 물질을 이용해 유용한 제품을 생산하거나 서비스를 창출해내는 기술’을 일컫는다.1980년대로 들어서면서 주목받기 시작한 분야지만, 바이오테크놀로지는 이미 고대 인류의 삶 속에서부터 미생물에 의한 발효제품인 포도주, 맥주, 빵, 간장, 김치 등의 제조를 통해 가정에서 또는 산업적으로 광범위하게 이용돼온 기술이다. 그러면 왜 이 용어가 새롭게 주목받기 시작했을까? 최근 10-20여년 사이에 DNA 조작 기술이 보편화됨으로써, 상상의 세계에서나 일어날 수 있으리라고 생각됐던 생명체 조작이 가능해졌기 때문이다. 즉 이제는 생명체의 생산능력을 포함해 여러가지 특성들을 원하는대로 변형시켜 새로운 가치를 창출해낸다는 것이 더이상 상상이 아니라 현실로 인식되고 있는 것이다. 1970년대에 개발된 DNA 조작 기술은 커다란 바이오 혁명이었고, 이어서 생명복제 기술로 인한 복제양 ‘돌리’의 탄생, 2000년대의 인간 게놈 프로젝트 완성 등이 또다른 획을 긋는 사건들이었다. 인간 게놈 지도는 인간 세포 속의 DNA가 저장하고 있는 모든 정보를 보여주는 것으로, 앞으로 이를 해독하면 인체의 비밀을 하나하나 밝혀나가는데 길잡이가 될 것이다. 유전자를 마음대로 자르고 붙인다
한개의 세포로 이뤄진 생명체인 박테리아로부터 무수히 많은 세포로 구성된 동식물에 이르기까지, 모든 생명체를 구성하는 기본 단위는 세포다. DNA는 세포 내의 모든 정보를 저장하고 있는 물질이다. 이 정보들이 자손에게 대대로 전해지기 때문에 ‘콩 심은 데 콩 나고, 팥 심은 데 팥 난다’ ‘송아지, 송아지, 얼룩송아지, 엄마소도 얼룩소, 엄마 닮았네’ ‘그 아버지에 그 아들’ 같은 말들이 생겨난 것이다. 자식이 엄마도 닮고 아빠도 닮는 이유는 엄마와 아빠의 유전자를 반반씩 전해받기 때문이다.이와 같이 DNA가 세포 내의 모든 생산물에 대한 정보를 갖고 있으므로, DNA가 보유하고 있는 정보를 원하는대로 조작할 수만 있다면 세포의 생산 특성을 바꿀 수 있을 것이다. 예를 들어 인간 성장호르몬은 인간이 성장하는데 필요한 물질이다. 이 물질은 인체 내에서만 만들어지므로 이것을 추출해 의약품으로 사용하기란 매우 힘든 일이다. 그러나 DNA 조작 기술은 이런 의약품 생산을 용이하게 해준다. 인간 성장호르몬을 만드는 정보를 갖고 있는 유전자를 박테리아에 주입하면 박테리아는 이 유전정보를 자기 것인 줄 알고 열심히 만든다. 즉 박테리아가 인간 성장호르몬을 생산하는 공장 역할을 하는 것이다. 이와 같은 일이 가능하려면 우선 DNA에 있는 원하는 유전자(예를 들어 인간 성장호르몬 유전자)를 잘라낼 수 있는 기술이 있어야 하고, 이를 적당한 곳(예를 들어 박테리아 DNA 내의 적당한 장소)에 붙일 수 있는 기술이 있어야 한다. 즉 원하는 유전자를 마음대로 자를 수 있는 가위가 필요하고, 자른 것을 붙일 수 있는 풀이 필요한 것이다. 이때 가위 역할을 하는 효소를 제한효소, 풀 역할을 하는 효소를 DNA 연결효소라고 한다. 제한효소를 사용해 원하는 유전자를 잘라서 적당한 운반체 DNA에 붙인 다음 이 운반체 DNA를 박테리아 속으로 집어넣으면, 이 박테리아는 자신이 갖고 있지 않았던 유전자를 소유하게 된다. 즉 새로운 외부 유전자를 가진 재조합 박테리아가 탄생하는 것이다. 인간과 박테리아의 두뇌 싸움
DNA 조작 기술을 이용해 유용한 물질을 생산할 때 박테리아를 비롯한 미생물이 생산 공장으로 종종 사용된다. 미생물은 배양하기가 매우 용이하기 때문이다. 사람의 1세대가 30년 정도인데 비해 박테리아의 경우 빠른 것은 20분 정도에 한번씩 분열해 자손을 번성시킨다. 어마어마한 속도다. 따라서 인간의 유전자를 박테리아 속에 주입하면 이 박테리아가 매우 빠른 속도로 자라면서 주입된 유전정보에 해당하는 물질을 역시 빠른 속도로 생산하게 된다. 이것이 재조합 박테리아로부터 신물질의 대량생산을 가능하게 하는 기본 아이디어다.박테리아는 이렇게 새로 주입된 유전자 정보에 해당하는 물질을 열심히 만들긴 하지만, 박테리아의 입장에서 보면 아무 쓸데도 없는 것을 만들고 있는 셈이다. 박테리아는 주입된 유전정보가 자기에게 유용하다고 잘못 인식하고 있을 뿐이기 때문이다. 그러나 이와 같이 쓸데없는 물질을 멋도 모르고 한참 만들다 보면 박테리아도 스트레스를 느끼기 시작한다. 열심히 일은 하는데 얻는 게 없다는 것을 느끼는 셈이다. 이제 드디어 박테리아의 복수가 시작된다. 기껏 만들어 놓은 물질들을 파괴하기 시작하는 것이다. 박테리아의 입장에서는 일말 통쾌할지 모르겠지만 인간의 입장에서는 아깝기 짝이 없는 노릇이다. 이때부터 인간과 박테리아의 신경전이 펼쳐지게 된다. 인간이 박테리아에게 사용할 수 있는 방법은 당근과 채찍이다. 박테리아에게는 가혹하지만, 박테리아가 스트레스를 느끼고 성질을 부리기 시작하면 가차 없이 처형하는 방법이 바로 채찍이다. 지금까지 생산해 놓은 것이라도 파괴되기 전에 건지자는 전략이다. 시간을 더 지체해봤자 좋을 것이 없기 때문이다. 당근을 사용하는 방법은 화가 나기 시작하려는 박테리아를 잘 달래가며 성장시키는, 즉 박테리아와 타협하는 전략이다. 박테리아가 스트레스를 느끼는 이유는 기껏 영양분을 사용해 열심히 뭔가를 만들었는데 그것이 자신에게 별로 유용하게 사용되지 않고, 주위의 영양분은 고갈돼가기 때문이다. 그래서 박테리아는 쓸데없이 만들어놓은 물질을 잘게 잘라 다시 영양분으로 이용하려고 한다. 이를 방지하기 위해 박테리아에게 적당한 영양분을 지속적으로 공급해줘 박테리아가 어느 정도 행복감을 느낄 수 있게 해야 한다. 우리가 원하는 물질의 생산을 최대화하기 위해 어떤 방법으로 박테리아를 배양하고, 당근과 채찍을 어떻게 적절히 사용하는 것이 바람직한가를 설계하는 것이 생물공정공학의 주요 연구분야중 하나다. 인간 게놈 프로젝트는 생물학의 주기율표
DNA 조작 기술이라는 막강한 도구를 사용함으로써 생물학은 급속도로 발전해 많은 것을 이해하게 됐다. 그 후 또한번 점프할 수 있는 발판을 마련해 주리라고 기대되는 것이 인간 게놈 프로젝트다.2000년 6월 26일 미 백악관에서는 클린턴 대통령이, 영국 다우닝가 10번지에서는 블레어 수상이 인간 게놈 초안 연구결과를 동시에 발표했다. 이날 클린턴 대통령은 ‘오늘 우리는 신이 생명을 창조했을 때 사용했던 언어를 배우고 있습니다’라는 감동적인 문구를 사용하며 연설을 했다. 그 후 지난해 미국과 영국 등 6개국 국제인간게놈컨소시엄은 현재의 기술로 불가능한 부분을 제외하고 인간 게놈 염기서열의 해독을 완료했다고 발표했다. 인간 게놈 프로젝트는 인간 세포 내의 모든 DNA 염기서열을 밝히는 사업을 일컫는 말이다. 게놈(genome)이란 단어는 유전자를 의미하는 진(gene)과 염색체를 의미하는 크로모좀(chromosome)의 합성어로서 세포 내 모든 DNA의 한 세트를 일컫는 말이다. DNA의 정보는 A, T, G, C 4종류 염기의 서열이 어떻게 배열돼 있느냐에 따라 그 의미가 달라진다. 결국 인간 게놈 프로젝트는 인간 세포가 보유하고 있는 4종류의 알파벳의 조합으로 이뤄진 30억개의 염기서열을 하나하나 알아내는 작업이란 얘기다. 일단 DNA의 모든 염기서열이 파악되면 이것을 바탕으로 DNA의 각 부위가 지니고 있는 기능과 의미를 밝히는 일이 뒤이어 수행돼야 한다. 이른바 ‘포스트 게놈 시대’라고 불리는 지금부터 해야 할 일이다. DNA의 총체적 염기서열을 밝힌 것을 단순히 세계지도를 그린 것에 비유한다면, 앞으로는 세계 각 나라와 지역에서는 무엇이 생산되며 어떤 문화와 풍습을 갖고 살아가는지를 밝혀야 할 것이다. 즉 밝혀진 염기서열을 이용해 DNA의 어떤 부위가 어떤 기능을 하는지를 알아내 게놈 지도를 완성해야 한다는 말이다. 미 매사추세츠공대의 에릭 랜더 박사는 인간 게놈 프로젝트에 의해 완성된 DNA 염기서열 지도를 1800년대 말에 이뤄진 화학 분야의 원소 주기율표 발견에 견주어 ‘생물학의 주기율표’라고 말했다. 과거 공과대학 대부분의 학과들의 학문 분야는 물리, 화학, 수학 등의 기초과학에 기반을 두고 이를 응용하기 위한 분야들이었다. 이에 비해 생물학에 바탕을 둔 공과대학의 학과들은 많이 찾아볼 수 없었다. 물리와 화학 분야는 이미 오래전부터 학문적 발전이 이뤄져 많은 것을 이해할 수 있었고 이를 바탕으로 응용 학문인 공학이 더불어 발전해 왔다. 반면 생물학은 그 학문의 대상인 생명체가 너무 복잡해 인간이 그 모두를 이해하기 어렵기 때문에 학문적 발전이 상대적으로 더뎠다. 물리와 화학에 비해 생물은 외우는 과목이라는 인식도 여기에 기인하고 있다. 이해하기가 너무 어려우니까 일단 현상이 어떻다는 것을 나열할 수밖에 없기 때문에 암기과목이라는 인식이 들게 마련이다. 우리나라 먹여살릴 차세대 성장 산업
그러나 최근 들어 명칭에 ‘생명공학’ 또는 ‘생물공학’을 포함하는 학과가 눈에 띄게 증가하고 있다. 이제는 사정이 달라진 것이다. 생명과학이나 생명공학은 더이상 암기과목이 아니다. DNA 조작 기술이 개발되고 난 이후 생명체에 대한 이해가 급속도로 이뤄져 이를 바탕으로 한 응용 분야인 생명공학이 탄생했다. 또 이 분야의 기술이 개발돼 산업화됨으로써 생물 관련 산업체들도 속속 나타나기 시작했다.선진국을 비롯해 많은 나라들에서 이제 삶의 기본이 되는 의식주 문제는 어느 정도 해결이 됐다. 배가 부르고 잠자리가 따뜻해지면 사람들은 생계 걱정을 떠나 한층 나은 삶을 영위하려는 마음이 생기게 마련이다. 요즘 우리 사회에서도 ‘웰빙’이라는 단어가 빈번히 사용되고 있듯이, 앞으로 더 안락하고 건강하게 오래 살려는 욕구가 점점 커질 것이다. 이와 같이 행복을 추구하는데 생명공학이 문제 해결의 열쇠를 제공해 줄 수 있다. 바이오칩을 사용해 자신의 세세한 건강 상태를 집에서 간단하게 진단하는데 관심이 쏠리고 있고, 진시황이 불로초를 찾듯이 난치병을 비롯한 여러가지 질병의 치료를 위한 의약품과 치료 기술도 주목받고 있다. 또한 자동차가 오래 되면 부품을 교체하는 것처럼 체내의 장기가 못쓰게 됐을 때 이를 교체할 수 있는 새로운 장기를 생산하고 이식하는 기술에도 관심이 쏠리고 있다. 올해 정부는 신약개발, 인공장기, 바이오칩 등을 포함한 바이오산업을 앞으로 우리나라를 먹여 살릴 차세대 10대 성장 동력으로 선정해 집중 투자하고 있다. 과거에는 썩지 않는다는 것이 플라스틱의 장점이었으나, 지금은 너무 많이 생산해낸 나머지 사용하고 난 플라스틱을 폐기하는 것이 새로운 환경문제가 돼버렸다. 바이오테크놀로지는 식물이나 박테리아에서 생분해가 가능한 플라스틱을 생산할 수 있게 해준다. 또한 기존의 화학공정을 환경 친화적인 생물공정으로 대체한다. 뿐만 아니라 환경문제를 유발하는 화석연료를 대체하는 연구, 더 나아가서 석유자원의 고갈에 대비할 바이오수소, 바이오에탄올 같은 바이오에너지에 대한 연구도 우리 앞에 펼쳐져 있는 도전의 대상이다. 이 모든 것들이 21세기에 꽃을 피울 과학기술들이다. 꿈 많고 패기에 찬 많은 젊은이들이 생명공학 분야에 도전하기를 기대해 본다. |
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