뉴 스
새 천년을 맞이하며 많은 미래학자들은 21세기를 대표할 산업으로 정보통신과 바이오 산업을 지목했다. 이들이 주목받는 이유는 경제적 면도 크지만 바로 우리 삶의 방식을 통째로 바꿀 수 있는 혁명적 내용이 담겨 있기 때문이다. 우리 주위에서 인터넷이나 게놈 프로젝트란 단어를 듣기 시작한 기간은 얼마 되지 않았다. 4년 전 처음 대학 강단에 섰을 때만 해도 군대를 막 제대한 복학생들이 인터넷을 몰라 고생하는 것을 보았다. 지난해에는 대부분의 과학자들도 예상보다 몇년 빨리 초안이 완성된 인간 게놈 프로젝트를 지켜보며 놀라움을 금치 못했다. 인터넷이 세계를 흐르는 정보의 바다라면 인간 게놈은 우리 몸에 흐르는 유전정보의 바다다. 그러므로 이들 정보의 바다를 조절할 수 있는 능력을 키우는 것이야말로 21세기 우리나라의 생존전략이 될 것이다.
21세기 생명공학은 생물의학 분야뿐만 아니라 기계, 전자, 물리, 화학, 수학, 전산학, 정보통신 등이 포함된 융합학문으로 발전하고 있다. 질병정복의 꿈을 가깝게 만들 인간 게놈 프로젝트의 초안이 짧은 시간 안에 완성될 수 있었던 것도 이와 같은 많은 분야의 학문이 조화롭게 융합되었기 때문이다. 그 결과 디엔에이칩, 단백질칩 등과 같은 새로운 도구가 개발됐고, 생물정보학과 같은 생물, 수학, 전산이 융합된 학문이 생겨나 엄청난 각광을 받고 있다. 지금은 인터넷의 도움 없이 생명공학 연구를 할 수 없다. 그러므로 우리의 미래를 짊어질 생명공학 연구의 성패는 얼마나 여러 학문 분야의 사람들이 조화롭게 연구할 수 있고, 여러 영역을 동시에 이해할 수 있는 전문가를 양성하는가에 달려 있다.
그렇다면 이와 같은 전문인력을 어떻게 양성할 것인가? 결국 대학에서 이 일을 맡아야 한다. 생명공학 전공 이외의 학생들이 생명공학 분야의 전문지식을 쉽게 이해하고 접근할 수 있도록 해야 하고, 반대로 생명공학 분야의 학생들이 전산, 기계, 공학, 법과 같은 분야에 관심을 가져야 한다. 생명 정보의 바다를 마음껏 항해할 수 있는 여러 방면의 전문가들을 양성하는 것이야말로 21세기 우리나라의 미래를 한층 밝게 만드는 원동력이 될 것이다.
황승용 한양대 생화학 및 분자생물학과 조교수
용어 풀이
*바이오산업(bioindustry)
바이오테크놀러지(biotechnology)를 기업화하려는 새로운 산업 분야.
생물 자체 또는 그들이 가지는 고유의 기능을 높이거나 개량하여 자연에는 극히 미량으로 존재하는 물질을 대량으로 생산하거나 유용한 생물을 만들어내는 산업을 일컫는 용어이다. 바이오 산업의 기본이 되는 기술을 4가지로 살펴보면, 첫째로 생물체에서 특정한 유전 정보만을 꺼내어 생육이 빠른 미생물(예를 들어 대장균)의 유전자에 집어넣는 유전자 재조합 기술이 있다. 그 밖에 세포 융합 기술, 대량 배양 기술, 바이오리액터(bioreactor) 기술 등이 있다. 의약품ㆍ화학ㆍ식품ㆍ섬유 등에서 그 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 의약품 제조 분야에서는 유전자 재조합 기술에 의해 이미 당뇨병 특효약인 인슐린과 암 치료 등에 이용되는 인터페론의 양산이 실용화되었다. 그 밖에도 농업 분야나 화학 공업 분야에서 바이오테크놀러지 즉 생명공학의 기초 연구가 진행되고 있어서 가까운 미래에 식량의 증산이나 화학 합성 공정의 에너지 절약화 등이 실현될 것으로 기대된다.
*인간 게놈 계획(Human Genome Project)
인간의 염색체 내의 모든 염기서열(유전정보)을 밝혀내기 위한 연구계획.
1989년 1월 미국 국립보건원(National Institutes of Health/NIH)에서 생물학자, 윤리학자, 컴퓨터 전문가, 산업과학자 등 여러 전문가들이 모인 가운데 '인간 게놈 자문위원회'가 발족되었고, 위원회의 회의 결과 인간 게놈 계획이라는 연구계획이 시작되었다. 이는 인간을 구성하고 인간으로서의 기능을 발휘하게 하는 청사진인 모든 유전정보를 완전히 결정한다는 계획이다.
게놈이란 생물체를 구성하고 기능을 발휘하게 하는 모든 유전정보를 보유한 유전자의 집합체로서, 인간의 경우 23쌍의 염색체(46개 염색체로서 남자의 경우 22쌍+XY, 여자의 경우 22쌍+XX) 중 1세트의 염색체군(23개 염색체)을 말하며, 부모로부터 자손에 전해지는 유전물질의 단위체를 뜻하기도 한다. 이때 게놈에서 유전정보는 DNA라는 분자구조로 존재하며 4가지 화학적 암호인 A·G·T·C 등의 염기서열로 표기되어 있다. 인간 게놈은 약 30억 개의 염기로 구성되어 있다. 인간이 보유하고 있을 것으로 예상되는 구조유전자수는 대략 10만 개로 추정되며, 1개의 구조유전자의 평균길이를 1,000~2,000개의 염기로 가정하면 전체 유전자에 해당하는 염기수는 전체 염기의 5% 정도밖에 해당되지 않는다. 나머지 95%의 염기들의 기능에 대해서는 아직 밝혀지지 않았지만, 일부는 조절유전자로서의 역할을 하고 나머지는 염색체 자체의 기능에 관한 영역으로 염색체의 구성 및 세포분열시 염색체의 복제와 분리 등의 특수기능을 하고 있는 것으로 보고 있다.
인간 게놈 계획이란 바로 30억에 달하는 염기서열 전부를 해독하고자 하는 연구과제이다. 지난 30여 년 동안 10만 유전자 중에 단지 4,500여 개가 밝혀졌으며, 이중 1,500개 정도만이 유전자지도가 작성되어 있을 뿐이다. 따라서 인간 게놈 계획의 주요목표는 10여 만 개의 유전자 중 이미 알고 있는 유전자를 제외한 나머지 유전자들의 기능 및 특성이 무엇인가에 관한 것이며, 또한 이 유전자들이 23쌍의 염색체상에서 어느 위치에 존재하느냐, 즉 유전자지도를 완성하는 것이다. 그리고 이 유전자를 포함한 전체 DNA 염기서열을 결정함으로써 유전자의 구조적 특성과 게놈 전체의 구조적 본질을 밝히는 데 있다고 할 수 있다.
1990년 10월 1일부로 정식출범한 이 연구과제는 향후 15년간 3차 5개년 계획으로 되어 있다. 제1차 5 개년 계획에서는 인간 전체 유전자지도의 절반 정도를 완성하고, 약 1% 정도의 염기서열을 밝히는 것이며, 제2차 5개년 계획에서는 나머지 절반 유전자지도의 완성과 10% 정도의 염기서열을 결정하는 것이다. 마지막 5개년 계획에서는 나머지 90%의 염기서열을 밝힘으로써 인간 게놈 전체의 염기서열을 결정하게 되는 것이다. 이와 같은 계획은 금세기 최대 연구과제로서 미국의 NIH 내에 인간 게놈 협회(The Human Genome Organization/HUGO)라는 기구를 조직, 윗슨이 그 책임을 맡고 있으며 세계 선진 15개국이 공동보조를 맞추어나가고 있다. 또한 미국 에너지성(DOE)에도 특별연구기관을 설립해 인간유전자 염기서열 결정에 관한 신기술 개발 및 관련 연구에 주력하고 있다. 한편 유럽에서는 유럽 공동체(EC), 영국의학연구자문위원회(Medical Research Council/MRC), 유럽 분자생물학연구소(European Molecular Biology Laboratory/ EMBL) 등을 중심으로 유럽 국가들이 공동으로 연구방향과 연구재원 확보에 노력을 기하고 있다. 이 계획이 완성되는 2005년에는 생명현상에 대한 보다 확실한 접근이 가능해지고, 인류가 시달려왔던 많은 유전병의 치료와 의약용으로 쓰일 각종 생체물질의 연구와 생산이 가능하게 될 것이다. 그러나 이 정보를 잘못 사용할 경우 발생할 종교적인 문제와 도덕적인 문제에 대해서는 아직까지 많은 논쟁을 불러일으키고 있다.
*DNA
디옥시리보핵산(Deoxyribonucleic acid)의 약자.
모든 살아 있는 세포에서 볼 수 있고 유전형질을 전달하는 복잡한 유기화학적 분자구조.
DNA의 물리적 특성
물리적·효소적 절단 등이 가해지지 않으면 바이러스나 세균 전체의 핵산 크기에 해당하는 약 1억 2,000만의 분자량을 갖는 거대 분자의 DNA를 세포로부터 추출할 수 있다. DNA를 함유하고 있는 용액은 점성(粘性)이 있으며, 여러 가지 조작에 의해 저분자 조각으로 절단할 수 있다. DNA의 구성원인 퓨린과 피리미딘염기는 질소를 함유하는 이질 환형구조를 하고 있기 때문에 자외선을 흡수하며, 열이 가해지면 나선의 구조가 깨지면서 보다 많은 양의 자외선을 흡수할 수 있는 상태로 되고 점성은 약해진다.
또한 이 과정 중 DNA는 불규칙적으로 감기게 되는데, 이러한 열에 의한 DNA의 변화를 'DNA 열변성'(熱變性)이라 한다. 열변성을 일으킬 수 있는 온도를 용해온도라 하며, 이 용해온도는 DNA를 구성하고 있는 염기의 조성에 따라 달라진다. 즉 구아닌과 시토신 염기의 함량이 높은 DNA는 아데닌과 티민의 함량이 높은 DNA보다 용해온도가 높아서 더 안정한데, 이는 구아닌과 시토신 간의 수소결합이 아데닌과 티민의 수소결합보다 강하기 때문이다(→뉴클레오티드). 용해온도보다 약간 높은 온도에서는 이중나선의 DNA 가닥이 분리되며, 온도가 천천히 낮아지면 원래의 2중나선 구조는 회복되지만 때때로 DNA 가닥 간의 재조합이 일어나기도 한다.
*단백질(蛋白質, protein)
아미노산으로 이루어져 있으며 생물체에서 일어나는 화학반응에 필요한 복합분자.
단백질은 구성물질인 아미노산이 펩티드 결합(아미노산의 아미노기[-NH2기]와 다른 아미노산의 카르복실기[-COOH기]가 연결되어 있음)으로 연결되어 있으며, 매우 큰 분자이기 때문에 때때로 거대분자 펩티드라고도 한다. 아미노산은 여러 가지 구조식을 가지고 있지만 단백질을 구성하는 아미노산의 일반 구조식은 RCH(NH2)COOH이다(여기서 C는 탄소, H는 수소, N은 질소, O는 산소, R은 아미노산마다 구조가 다른 곁사슬). 아미노산은 서로 연결되어 긴 사슬을 형성하며 대부분의 단백질은 100개 이상의 아미노산으로 이루어져 있다.
생물체에서 발견되는 대부분의 단백질은 20가지의 아미노산으로 구성되어 있으며 각 아미노산은 여러 번 반복되면서 정해진 순서대로 1줄로 연결되어 있다. 각 종류의 단백질은 독특한 아미노산 서열을 가지며 이런 순서를 1차 구조라 하고 이것이 단백질의 구조와 기능을 결정한다. 아미노산의 상호작용을 통해 단백질 사슬은 특징적인 2차 구조를 이루며 어떤 경우는 3차 구조를 만들기도 한다. 2차 구조는 아미노산을 서로 연결하는 펩티드 결합의 각도에 의해 결정되며, 이런 결합각도는 한 아미노산의 질소원자와 다른 아미노산의 산소원자 사이에서 수소결합에 의해 만들어지는데 일반적으로 이런 수소결합은 나선형의 2차 구조(밧줄이 관 둘레를 감고 있는 것과 같은 구조)를 형성한다.
3차 구조는 단백질 사슬이 구부러지고 접혀짐으로써 형성되며, 정도의 차이는 있지만 구형단백질(球形蛋白質)을 형성한다. 3차 구조는 아미노산의 곁사슬에 의해 결정된다. 곁사슬 중에는 너무 커서 단백질 사슬의 정상적인 2차 나선구조를 파괴하는 것이 있는데 이때는 꼬임이나 구부러짐이 생긴다. 또한 곁사슬이 서로 다른 전하(電荷)를 띠고 있으면 서로를 끌어당겨 이온결합을 형성하며 같은 전하를 띠고 있으면 서로 밀어낸다. 물에 녹지 않는 소수성(疏水性) 곁사슬은 단백질의 안쪽에 집합하고 물에 노출되는 바깥쪽 부분을 피하려 한다. 친수성(親水性) 곁사슬은 물분자와 쉽게 수소결합을 이루어 바깥쪽에 위치한다. 이황화물 다리는 공유결합의 일종으로 황(-s-)을 함유하는 아미노산인 2개의 시스테인 사이에 이루어진다. 이렇게 형성된 이황화물 다리(-s-s-)는 단백질 사슬의 고리모양구조를 안정화시킨다. 헤모글로빈과 같은 몇몇 단백질은 하나 이상의 단백질 소단위(폴리펩티드 사슬)로 이루어져 있다. 단백질 사슬의 이러한 공간적 구조를 4차 구조라 하며, 4차 구조는 3차 구조와 같은 종류의 힘에 의해 유지된다.
단백질을 분류하는 방법에는 몇 가지가 있는데 예를 들면 단순단백질과 복합단백질로 나누는 방법이다. 단순단백질은 아미노산만으로 이루어졌으며 복합단백질은 아미노산뿐 아니라 비(非)아미노산 보결분자단(補缺分子團)도 포함하고 있다. 보결분자단에는 탄수화물·지질(脂質)·핵산·금속·색소 등과 몇몇 비단백질 분자와 이온 등이 속한다. 이런 여러 가지 물질의 대부분은 비타민이나 금속(미량 원소)이며, 미량이지만 음식으로 섭취해야 한다. 헤모글로빈은 복합단백질 중에서 가장 잘 알려진 것으로 분자 1개가 4개의 보결분자단을 가지고 있으며 각 분자단은 철과 포르피린 색소로 이루어져 있다. 이 보결분자단은 헤모글로빈이 산소를 운반하는 데 중요한 작용을 한다.
단백질은 기능에 따라 분류할 수도 있는데 구조 단백질과 생물학적 활성 단백질의 2개의 범주로 나눌 수 있다. 이 분류방법의 단점은 어떤 단백질은 구조적인 요소와 생물학적 활성 요소를 모두 동시에 갖고 있다는 점이다. 대부분의 구조단백질은 가늘고 긴 실과 같은 사슬로 구성된 섬유질이다. 동물의 중요한 구조단백질로는 뼈·힘줄·인대·피부를 구성하는 콜라겐과 머리카락·손톱·발톱·깃털 등을 이루는 케라틴 등이 있다. 생물학적 활성이 있는 단백질은 대부분 구형인데 이들의 활성은 단백질의 3차구조와 직접 관계가 있다. 생물학적 활성이 있는 물질을 대표하는 것으로는 생명체에서 일어나는 화학반응을 촉매하는 효소, 신체 내 다른 부위로 화학적인 신호를 전달하는 단백질호르몬, 신체 각 부위에 물질을 전달하는 물질수송단백질, 미생물이나 외부 물질로부터 몸을 방어하는 면역글로불린(抗體) 등이 있다.
모든 단백질의 아미노산 순서는 DNA의 뉴클레오티드 염기서열에 의해 결정되는데, 특정 단백질이 필요할 때는 그 단백질의 유전암호를 가진 DNA를 상보적 RNA로 전사(轉寫)하며 이 RNA는 단백질 합성의 주형(鑄型)으로 작용한다. 3개의 뉴클레오티드가 하나의 아미노산을 결정하고 이 아미노산은 RNA에 담겨진 유전정보에 의해 순서대로 연결된다. 겸형적혈구빈혈증(鎌形赤血球貧血症)과 같은 병은 단백질을 구성하고 있는 아미노산 중 하나가 다른 아미노산으로 바뀌었을 때 생긴다.
*유전자칩(遺傳子-, DNA Chip)
유전자 검출용 소자(素子).
생물의 유전정보가 어떻게 발현되고 있는가를 대규모로 검토하기 위한 새로운 유전공학 기술이다. 유전자 칩은 1㎤ 정도의 고체표면에 수백에서 수만 종류의 DNA배열을 배치함으로써 만들어진다. 유전자 칩 표면에 배치되는 DNA배열로서는 현재 인간게놈계획 등으로 해명이 되고 있는 유전정보의 데이터베이스가 이용되고 있다.
미리 형광물질로 표식을 해둔 목적 DNA가 들어 있는 용액에 칩 표면을 적신 다음에 씻어내면 칩 위에 있는 DNA와 결합할 수 있는 목적 DNA을 형광화상으로 측정할 수 있다. 이에 의하여 형광이 측정된 유전자의 발현을 확인할 수 있다. 다른 색을 나타내는 형광물질을 사용함으로써 유전자 발현의 변화를 검토하기도 쉽다.
유전자 칩은 유전자의 기초연구는 물론 암·유전자병·당뇨병·고혈압 등 각종 질환의 유전자 진단, 세균·바이러스 등 병원체의 신속한 검출, 개인의 유전적 형태에 따른 최적 약제의 선택 등에 널리 응용될 수 있는 새로운 차원의 분석 시스템이다. 조작이 단순하고 자동화하기에 적합한 데다 크기가 작아서 시약량이 적어도 되는 등 유전자 발현 검출의 대량화·고속화·저비용화에도 크게 기여할 것으로 기대된다.
2010년에는 그 시장규모가 전세계적으로 400억 달러에 이를 것으로 예상되고 있어, 기업들 사이의 경쟁이 격심하다. 미국의 벤처기업을 중심으로 각 기업마다 미국의 어피메트릭스사(社)의 기본 특허를 회피하는 새로운 칩의 제조법을 고안하여 상품화를 적극적으로 추진하고 있다.
한국에서는 생명공학 벤처기업으로, 코스닥등록업체인 마크로젠이 기존 제품에 비해 6배 정도 많은 정보를 담고 있는 새 유전자 칩을 개발했다. '매직 2.4k'라는 이름의 이 유전자 칩에는 지금까지 전혀 알려지지 않은 500여 개의 유전자정보를 포함하여 한국인의 유전자 약 2,300여 개가 들어 있다고 한다.