인공 E.coli 박테리아 창조 및 21번째 pAF 아미노산 창조
2003년에 Scripps Research Institute의 과학자들이 현존하는 생물체에서는 사용되지 않는 새로운 21번째 의 pAF 아미노산을 생산하는 인공 E.coli 박테리아를 창조하는데 성공했다[Mehl et al., J. Am. Chem.
Soc., 2003]. 모든 생물체의 세포들은 단백질을 만드 는데 필요한 20개의 아미노산을 조합하여 단백질을 만든다. 이번 연구의 프로젝트는 생물의 진화에 대한 몇 가지 기본 의문에 대한 답을 찾는 것을 목적으로 시작했다. 예를 들면, 왜 생물체들은 이와 같이 20개 의 아미노산 만을 이용하는 빌딩블록 시스템을 갖고 있을까? 20개 이상이면 안되는 것인가? 만약 20개가
아니라 그 이상의 아미노산을 창조한다면 이는 생물 의 진화에 어떤 영향을 미칠 것인가? 등이 바로 본 연 구 프로젝트의 주제였다. 이 질문에 대한 답을 찾기 위 해 연구원들은 E.coli 박테리아에 엔지니어링을 가해
인조생물학(Synthetic Biology)이란 화학 또는 생물학 개념의 복분해(Double Decomposition)와 촉매(Catalyst)의 상호교환반응(Metathesis)을 이용해 유전자, 원자나 분자를 융합하거나 분열시켜 생물체나 생물질을 만드는 학문이나 기술을 의미한다. 반면 인공생물학(Artificial biology)이란 공학(Engineering) 관점에서 인공(人工)적인 생물체나 생 물질을 만드는 것을 의미한다. 또한 기존의 물질이나 재료공학에 인조나 인공방법으로 새로운 생물체나 생물질을 만드 는 의미도 있다. 이러한 생물체나 생물질은 환경/에너지 분야에 활용될 뿐 아니라 인간에 적용할 경우 신약 개발이나 새로운 치료제가 된다. 이번 글에서는 인조 박테리아나 바이러스에 도전하는 사례를 살펴보고자 한다. 이는 인조 생명 시대를 시대를 열 것으로 기대하고 있으나 생명창조라는 윤리문제를 야기시킬 것이다.
“새로운 비트(BIT)가 온다(IV)”
인조생물학-인조 박테리아/바이러스에 도전, 인조생명시대 온다
차 원 용
아스팩미래기술경영연구소 소장, [email protected]
그림 1. 새롭게 만든 암호표 UAG가 지정하는 21번째 pAF 아미노산의 창조(Mehl et al., J. Am. Chem.
Soc.(2003)).
새로운 인공아미노산인 p-aminophenylalanine(pAF) 을 만드는데 성공했다. 이번 연구 결과 pAF는 다른 기존의 20개 아미노산과 같이 상호 작용하여 단백질 을 만들고 있음을 확인하였다.
“이는 무엇을 의미하는가? 완전히 다른 자율 유기 체(Autonomous Organism)를 만들 수 있다는 것입 니다. 기존의 20개 아미노산과 더불어 이 새로운 박테 리아를 진화시킴으로써 또 다른 유기체를 운영할 수 있습니다”라고 이 프로젝트에 참가한 Christopher Anderson은 말한다. 기존의 유기체에 이 새로운 유기 체를 융합하고, 선택적인 압력을 가하면, 이들의 성장 을 지켜볼 수 있어, 무엇이 일어나는지 알 수 있다. 연 구원들은 이러한 실험을 통하여 이 확장된 유전자 코 드의 유기체가 전 생물체에 걸쳐 어떤 영향이나 이점 을 줄 것으로 기대하고 있다.
인조 소아마비 바이러스(Polio)의 창조 2002년에 미국 University of New York at Stony Brook의 연구원들이 세계 최초로 척수성 소아마비 바 이러스인 Polio 바이러스를 실험실에서 만드는데 성공 했다[Cello et al., Science, 2002]. 이들은 인터넷에서 Polio 바이러스를 만드는 방법을 다운 받은 뒤, 이미
밝혀진 Polio의 유전자염기 서열을 그대로 조합하여 인조 Polio를 만든 것이다. 이 인조 Polio가 정말 자연 적인 소아마비 바이러스와 얼마나 같은지 알아보기 위해 쥐에 주사했다. 그러자 쥐들은 모두 마비가 되어 죽었다. “왜 우리가 이러한 연구를 했느냐? 그것은 바 로 인간이 바이러스를 만들 수 있다는 것을 보여주고 증빙하고자 함입니다”라고 본 연구를 주도한 Eckard Wimmer 박사는 말한다[BBC, 11/July/2002].
이는 100% 박멸된 바이러스도 언제라도 다시 살려 낼 수 있다는 뜻이며, 기존의 인간을 해치는 바이러스 의 유전자 염기서열만 밝혀지면, 똑같은 인조 바이러 스(Synthesized Virus)를 만들어, 쥐를 대상으로 실 험함으로써, 바이러스를 100% 박멸할 수 있는 약을 쉽게 개발할 수 있음을 의미한다. 물론 악(惡)적인 목 적으로 개발한다면 바이러스 전쟁 등의 바이오테러리 즘(Bioterrorism)까지 비화될 수 있다.
인조 바이러스(phiX175)의 창조
2003년에 인간 게놈 프로젝트를 선도한 미국 셀렐 라(Celera)사의 초대 회장을 역임하고 지금은 벤터 연구소(Venter Institute)와 생명공학 회사인 신세틱 지노믹스(Synthetic Genomics)를 이끌고 있는 Craig Venter 박사와 동료들은, 앞으로 새로운 생물체 (Lifeforms)를 만들 수 있는 방법을 선도할 수 있는 기술로, 완벽한 인조 바이러스인 phiX175를 만들었다 [Smith & Venter et al., PNAS, 2003]. 인간이 하나
그림 2. 전자현미경으로 본 Escherichia coli(Bacillus coli)
박테리아. 연구원들이 이와 같은 유비쿼터스 박테 리아 버전을 개발하는데 성공. 이 박테리아는 21 번째의 인위적인 아미노산을 생산함(Centers for Disease Control).
그림 3. 인간이 만든 인조 Polio 바이러스(BBC(11/July/2002)).
의 미생물(Microbe)을 완전 복제한 것이다. 이 인조 생물체(Synthetic Organisms)는 불필요한 에너지를 제거할 수 있고 대기 오염을 청소할 수 있다. 조만간 이들 인조 미생물들이 인간을 위한 각종 사회/환경 활동 역할을 할 것이라는 의미이다. 이번 인조 바이러 스의 탄생은 실험실의 출발선에서 구축된 바이러스 중 두 번째 개가로, 앞으로 새로운 실험과 노력들은 기본적으로 생물체의 기본 구조를 확 바꿀 것으로 기 대되고 있다.
이 새로운 미생물체는 바로 phiX 라는 바이러스를 그 대로 복제한 것인데, 이 phiX 바이러스는 자연에 존재하 는 바이러스로 다른 박테리아만을 표적으로 병을 옮기 거나 죽이는 역할을 하지, 인간을 해치는 바이러스는 아 니다. 연구원들은 DNA 세그먼트들을 복사하고 대량 증 폭하는 기술인 중합효소연쇄반응법(PCR, Polymerase
Chain Reaction)을 사용했다. 우선 DNA 한쪽 가닥 의 올리고뉴클레오티드(Oligonucleotides)로부터 phiX 유전자들을 전사한 다음, 중합효소사이클조립법(PCA, Polymerase Cycle Assembly)으로 완벽한 이중 나선 형 DNA를 만들었는데, 총 소요기간은 14일에 지나 지 않았다. 이번 연구에서 과학자들은 특별한 유전자 의 기능을 이해하는데 많은 도움을 받았다고 한다. 따 라서 이번 연구결과는 앞으로 이 보다 더욱 크고 복 잡한 생물체를 조작하거나 창조하는 초석이 될 것이 라고 이들은 말한다.
인조 박테리아 마이코플라즈마 라보라토리움 (Mycoplasma Laboratorium)의 창조
미국 메릴랜드주 록빌에 있는 벤터 연구소(Venter Institute)는 2008년 1월 24일 실험실에서‘마이코플라 즈마 제니탈리움(Mycoplasma Genitalium)’이라는 박 테리아의 게놈을 완전 복제하고, 조립하고, 인조 합성하 여 완벽한 버전 1.0(JCVI-1.0)을 만들어 냈다고 발표했 다[Gibson&Venter&Smith et al., Science, 2008].
마이코플라즈마 제니탈리움의 게놈은 비교적 단순 해서 485개의 유전자와 58만2,970개의 염기쌍을 가진, 스스로 번식이 가능한 생명체 중 유전체 크기가 가장 작은 박테리아로 전립선염을 일으킨다. 벤터 연구소 는 5,000~7,000개의 염기쌍으로 이어진 염기쌍 사슬 101개를 여러 벤처기업들에서 구입해 하나로 이어 제 니탈리움의 완전한 게놈을 만들어냈다. 작다고는 해
그림 4. phiX 바이러스는 인간에게 병을 전염시키지 않는
다(BBC(13/Nov/2003).
그림 5. 미국의 크레이그 벤터 박사 연구팀이 2008년 1월 24일 공개한 합성 박테리아‘마이코플라즈마 라보라토리움’ 의
생물 유전체 사진들. 연구팀은 5년에 걸친 연구 끝에, 화학물질을 조합해서 이 박테리아 게놈을 만드는 데 성공
했다. 시간은 0.6초 동안 찍은 사진, 크기는 10마이크론(벤터 연구소).
도 이 정도 크기의 DNA를 통째로 생산해 낸 것은 무 척 어려운 기술적 개가로 평가된다. 연구팀은 실험실 에서 합성한 DNA를 부분적으로 이어 붙여, 점점 큰 조각으로 만든 뒤 - 이 과정을 Cassettes of Genes 또 는 Gene Cassettes 라 부름 - 마지막에는 효모에 넣 어 게놈 전체를 생산해 냈다. 지금까지 인공적으로 만 든 DNA 크기는 염기쌍 32,000개에 불과했다.
연구팀은 이 박테리아 게놈에 실험실에서 탄생 했다는 의미의 ‘마이코플라즈마 라보라토리움 (Laboratorium)’이라는 이름을 붙였는데, 이는 벤터 연구소가 수립한 완전한 인조생명체를 창조하는 3단 계 과정 중 2단계를 완성한 것이다. 이미 미국에는 인 조생명 시대를 바라보며 게놈 합성에 몰두하는 생명 공학 회사들이 여럿 활동하고 있다. 이들은 특히 석유 고갈 이후를 내다보면서 바이오연료의 원료가 되는 미생물 대량생산에 기대를 걸고 있다.
크레이그 벤터 박사는 생명공학기술의 최첨단에서 끊임없이 윤리 논란을 일으켜온 인물이다. 미국과 유 럽 정부들의 대대적인 지원을 받았던 인간게놈프로젝 트(HGP)와 경쟁을 벌인 셀렐라(Celera)사의 초대 회장을 역임하면서, 인간 게놈지도를 거의 동시에 완 성해내 눈길을 끌었던 그는, 2002년부터 유전자를 분 리하는 제한효소(Restriction Enzymes)1) 발견 및 이 의 분자 유전공학 문제에의 적용 공로로 1978년 노벨 생리의학상을 받은 해밀튼 스미스(Hamilton O.
Smith) 등을 끌어 들여 인조생명 연구에 몰두해왔다.
벤터 박사는 2007년 마이코플라즈마 제니탈리움의 게 놈을 세포껍질만 남긴 다른 박테리아에 그대로 이식 해‘박테리아 개종’에 성공함으로써 뜨거운 논란을 불러일으켰었다.
인조 게놈(Synthetic Genome) 및 인조 생명체 만드는 방법
그림 6. 1단계. 2007년에 연구원들은 하나의 생물체의 게 놈을 다른 생물체의 세포에 주입하여, 다른 생물 체 세포의 공장기계들(리보솜 등)을 장악하는 실 험에 성공했다. 이 과정을 소프트웨어 설치하기 (Installing the Software)라 부르는데, 주입된 게 놈은 하나의 소프트웨어처럼 부팅이 되고 그 다 음부터 운영되기 시작한다. 따라서 인조 게놈이란 세포들의 활동을 위해 운영 소프트웨어들을 다시 쓰는 것이라고 스미스(Smith) 박사는 말한다 (BBC(24/Jan/2008)).
그림 7. 2단계. 유전자의 짧은 조각들을 꿰 메어 붙여 점 점 큰 조각으로 만든 뒤 - 이 과정을 Cassettes of Genes 또는 Gene Cassettes라 부름 - 마지막에는 효모에 넣어 게놈 전체를 완성. 이번 연구 결과는 여기까지의 인조 게놈을 만든 2단계임(BBC).
1) 제한효소(制限酵素, restriction enzyme) - DNA의 특정한 염기배열을 식별하고 2중 가닥(double-stranded)을 절단하는
엔도뉴클레아제(핵산분해효소의 하나)로서 유전공학에서 재조합 DNA를 만들기 위해서 사용하는 특수한 효소로 알려져
있다. 여기서 제한이란 이질(異質)의 숙주(宿主)에서 증식한 DNA의 침입을 받았을 때 그 DNA와 자기의 DNA를 식별
하고 분해해 버리는 현상을 말하며, 그런 작용을 하는 효소를 말한다.
윤리 문제의 등장 - Synthetic vs. Artificial 벤터 박사는“윤리적인 차원을 늘 고민하고 있다”
며 반박했지만, 인조생명 연구를 감시하고 규제할 장 치를 만들어야 한다는 목소리는 더욱 커질 것으로 보 인다. 아직은‘인조 생명체’가 아닌‘인조 게놈’수준 이지만, 연구팀은“인공 생명체 창조의 3단계 중 2단 계에 올랐다”며 조물주의 손이 될 날이 머지 않았다고 밝히고 있다.
하지만 일각에선“인위적으로 만들어진 박테리아가 환경에 어떤 영향을 줄지 모른다”는 우려의 목소리도 나온다. 이에 대해 벤터 박사는“이 같은 합성기술을
이용, 수소와 같은 청정연료를 생산하거나 이산화탄 소 등의 온실가스(Greenhouse Gases)를 흡수하는 기 능을 가진‘맞춤형 박테리아’를 만들 수 있다”고 주장 했다. 벤터 박사는 이 게놈을 살아있는 세포에 주입해 하나의 생명체로서 삶을 부여한다는 계획이다. 스미 스 박사는“세포의 운영 소프트웨어만 다시 쓰는 것이 지(조합하는 것이지, Synthetic Life), 게놈 자체를 바 닥부터 새로 만드는 건(Artificial Life) 아니다”라고 밝혔지만“연구과정에서 괴 생물체가 탄생할지 모른 다”는 우려도 높다.
공교롭게도 이번 연구논문의 책임자인 해밀턴 스미 스 박사도, 1978년 그가 발견한 제한 효소와 유전자재 조합 기술로 윤리문제 등 처음엔 엄청난 사회적 논란 에 휘말렸지만 현재 널리 활용되고 있다. 아직 벤터 연구소는 인조 게놈이 세포를 움직여 완전한 유기체 로 기능을 하게 만들지는 못했기 때문에, 현 2단계에 서 인조생명이 탄생했다고 단언하기는 힘들다. 그러 나 먼 미래로 여겨졌던 일이 눈앞에 성큼 다가온 것만 은 사실이다. 전세계 신문 방송들은 공상과학 영화나 소설의 단골 메뉴였던‘병균을 이용한 악당들의 지구 공격’같은 시나리오들을 쏟아내면서 윤리논쟁에 불 을 지피고 있다.
차원용 소장/
