이에 따라 돌연변이가 일어난 유전자를 찾아내 치료하려는 시도가 이뤄지고 있는데, 이 때 핵심적인 역할을 하는 것이 바로 유전자 조작이다.
유전자 조작은 이처럼 인간의 질병을 치료하는 것 이외에 복제기술을 이용, 인간에게 유용한 동식물을 만들어 내는데도 활용된다.
자료제공 : 한국생명공학연구원
DNA의 변형을 차단하거나 또는 변형시킴으로써 인간은 각종 질병으로부터 자유로워질 수도 있다.
인간의 외모는 기본적으로 동일하다. 신체의 팔·다리뿐만 아니라 얼굴의 눈·코·입·귀 등의 구조나 개수 등을 기준으로 본다면 모든 인간은 동일한 외모를 가진 셈이다.
하지만 세부적으로는 모두 다른 모습을 가지고 있다.
지구상의 인구가 50억명이든 100억명이든 숫자에 상관없이 모두 다른 모습을 가지고 있다. 이 같은 차이는 세포안의 DNA 때문이다. 동일한 유전자를 가진 일란성 쌍둥이를 제외한다면 모두 다른 모습을 가지고 있는 것이다.
인간의 몸은 약 100조개의 세포로 구성돼 있는데, 각각의 세포 속에는 세포핵이 들어 있다. 또 세포핵 안에는 유전의 근본 물질인 유전자가 담겨 있는 염색체(chromosome)가 있으며, 이 염색체는 DNA(Deoxyribonucleic acid)라는 물질로 구성된다.
그렇기 때문에 한 사람의 유전자를 복제해 동일한 유전자를 가진 사람을 출생시킨다면 이론적으로는 완벽히 동일한 인물이 두 사람이 되는 셈이다.
특히 이 같은 DNA의 변형을 차단하거나 또는 변형시킴으로서 인간은 각종 질병으로부터 자유로워질 수도 있다.
현재 인간에게는 약 4,000종에 달하는 유전병이 있으며, 지난 2003년 완성된 휴먼게놈프로젝트의 주요 목표 역시 이 같은 유전병을 일으키는 유전자를 찾아내는 일이다. 대부분의 유전병은 정상적인 유전자의 손상으로 일어나기 때문에 돌연변이가 일어난 유전자를 찾아내 치료하려는 시도가 이루어지고 있는 것이다.
이처럼 유전자 조작은 인간의 질병을 치료하는 것 이외에 복제기술을 통해 인간에게 유용한 동물을 만들어 내는 것에도 활용된다. 또한 의약품 생산, 환경오염 물질을 제거하는 미생물 개발, 법의학의 유전자 검색 등 용도가 다양하다.
현재 인간에 대한 복제는 허용되지 않고 있지만 동식물 등에는 이미 활용되고 있는 유전자 복제기술로는 핵치환 방식의 체세포 복제, 유전자 재조합 기술, 그리고 중합 효소 연쇄반응(PCR; Polymerase Chain Reaction) 등이 있다.
핵치환 방식의 체세포 복제
형질전환 복제동물의 생산과정은 인간의 복제에도 사용할 수 있다. 통상 똑같은 생명체를 두개 이상 만드는 것을 생명체 복제라고 하며, 영어로는 클론(clone)이라고 한다. 클론의 어원은 그리스어인 ‘klon’ 에서 유래된 것으로 가지, 조각, 절단, 군중 등 여러 가지 의미가 있다.
생명체 복제는 살아있는 상태, 즉 생명이 있는 세포나 개체의 복제를 의미한다. 일반적으로 핵치환 방식을 통해 복제동물을 생산하기 위해서는 체세포의 분리 및 배양, 난자핵의 제거, 세포핵의 치환, 난자의 활성화, 복제 수정란의 체외 배양 및 이식 등 일련의 과정을 필요로 한다.
이 방법은 성숙된 동물 난자의 핵을 제거한 후 여기에 유전자 조작이 이뤄진 체세포를 핵이 없는 난자에 넣어 대리모 역할의 동물자궁에 이식함으로써 새로운 형질전환 동물을 만들어 내는 것이다.
이를 위한 과정으로는 먼저 체세포의 분리 및 배양이 필요하다. 난자에 제공될 공여핵으로서의 체세포는 동물의 태아조직이나 귀 조직 등으로부터 얻을 수 있으며, 실험에 사용하기 위해서는 채취된 체세포를 체외에서 배양해야 한다.
배양된 체세포는 필요로 하는 유전자를 결합시켜 형질전환 체세포로 전환된다. 즉 특정 호르몬을 정상보다 많이 분비토록 하는 유전자 조작을 통해 육질이 좋거나 보다 크게 자라는 소 등 동물의 형질전환이 이뤄진다.
공여되는 핵으로 체세포를 준비하는 동시에 이를 받아들이는 난자가 필요하다. 대상이 되는 동물로부터 난자를 채취해 체외 성숙을 통해 완전한 난자로 만든 뒤 이 난자의 핵을 제거하는 난핵 제거 과정을 거친다.
그런 다음 DNA가 있는 핵이 제거된 난자에 유전자 조작이 이뤄진 체세포(공여세포)를 넣어준다. 즉 최초 난자에 있던 유전물질인 핵을 제거한 후 유전자 조작이 이뤄진 체세포의 핵을 넣어주는 셈이다.
이렇게 핵 치환이 이뤄진 수정란을 대리모 역할을 하는 동물의 자궁에 이식해 정상적인 임신과 출산 과정을 거쳐 태어나는 동물이 형질전환 동물이 된다. 이때 체세포에 대한 유전자 조작 과정을 제외하면 단순히 복제동물이 만들어지게 된다. 즉 체세포를 제공한 동물을 복제한 것이 되는 것이다.
유전자 재조합과 키메라 유전자
동물복제 과정 중 체세포 단계에서 유전자 조작이 이뤄지는 것은 유전자 재조합 기술에 의한 것이다. 유전자 재조합 기술은 필요로 하는 유전자를 다른 유전자와 재조합해 ‘키메라 유전자’를 만든 다음 다시 발현세포에 도입해 외래 유전자의 형질을 발현시키는 기술이다.
키메라(Chimera)는 그리스 신화에 나오는 괴물인 ‘키마이라’의 영어식 표현으로 사자의 머리에 염소의 몸, 뱀 또는 용의 꼬리를 가진 괴물로 표현된다. 유전공학에서는 서로 다른 종류의 유전자가 섞여 있는 유전자를 키메라 유전자라고 부른다.
이 같은 유전자 재조합 기술은 생물에서 추출한 DNA의 단편이나 인공적으로 합성한 DNA를 시험관 내에서 효소 등을 사용해 자율적인 증식이 가능한 DNA(벡터)에 인위적으로 결합시킨 뒤 세포 내에 도입해 증식시키는 기술을 말한다.
재조합된 DNA의 도입에 사용한 세포 혹은 생물을 숙주라고 부른다. 즉 유전자의 일부를 제공하는 쪽이 벡터(Vector)며, 유전자 재조합을 통해 만들어진 키메라 유전자를 받아들이는 쪽이 숙주인 셈이다. 이 같은 연구에 사용하는 벡터의 종류는 숙주의 종류에 따라서 다양하다.
일반적으로 대장균 등을 숙주로 사용하는 실험에는 플라스미드를 벡터로 사용하며, 동물이나 식물의 세포 등을 숙주로 사용하는 경우는 바이러스 등을 벡터로 사용한다. 플라스미드(Plasmid)는 세균의 세포 내에 염색체와는 별개로 존재하면서도 독자적으로 증식할 수 있는 일종의 DNA다. 고리 모양을 띠고 있으며 세균의 생존에 필수적인 유전자는 아니다. 유전공학에서는 이 플라스미드를 추출한 후 효소를 이용해 자른 뒤 필요로 하는 다른 유전자를 결합시키는데 활용한다.
이 같은 유전자 재조합 과정을 살펴보면 필요로 하는 특정 생물(동물, 식물, 미생물)로부터 게놈을 분리한 후 DNA 절단 효소로 원하는 유전자(Gene)만을 절단한다. 이렇게 확보된 유전자에 DNA 접합 효소를 사용해 유전자 운반체인 벡터와 연결시킨다.
이 벡터를 다른 생물의 세포 내로 옮겨서 그 외래 유전자를 형질 전환된 생물체에서 발현시킴으로써 유전자 재조합 과정이 이뤄진다.
현재 유전자 재조합 기술은 상당 부분 상용화가 이뤄졌으며, 인슐린·알부민·간염백신 등의 치료제를 대량으로 생산하는데 활용된다. 또한 중금속이나 환경오염 물질 제거 능력이 뛰어난 미생물을 개발하거나 해충에 대한 저항성이 강한 유전자 변형 식물 개발 등에도 활용된다.
공룡 복제의 이론적 토대 된 PCR 기술
유전자 복제에 필수적인 기술로는 PCR이 있다. 중합 효소 연쇄반응으로 번역되는 PCR 기술은 소량의 특정 DNA를 시험관 내에서 대량으로 증폭하는 기술로 전자 현미경을 통해서나 볼 수 있는 매우 작은 유전 물질을 수 시간 내에 수십억 배의 양으로 확대시키는 기술이다. 지난 1985년 PCR 기술을 개발한 멀리스(Kary B. Mullis) 박사는 1993년에 노벨 화학상을 수상했다.
이 기술은 유전자 기술을 이용해 공룡을 복원해 낸다는 영화 ‘쥬라기 공원’의 이론적 토대가 되기도 했다. 영화 쥬라기 공원에서의 공룡 복원은 송진이 굳어져 화석화된 광물인 호박 속에서 공룡의 피를 빨아 먹었던 모기를 찾는 것으로 시작된다.
이 모기 화석으로부터 추출한 공룡의 혈액은 곧 공룡의 유전자를 담고 있는 셈이며, 극소량에 불과한 공룡 유전자를 PCR 기술로 증폭시킨 뒤 현존하는 파충류의 알 속에 삽입해 공룡을 복원했다.
이처럼 PCR 기술은 휴먼 게놈 해석 등 유전자 연구의 효율성을 획기적으로 향상시켰으며, 화석으로부터 DNA를 추출하는 것도 가능하게 했다.
이 PCR 기술의 원리는 증폭하려는 DNA에 약 95˚C의 열을 가해 꼬여있는 두 가닥의 사슬을 풀어낸다. 이렇게 풀려진 사슬의 온도를 50~60°C로 낮추고, 인공적으로 만든 DNA 조각인 프라이머(Primer)를 붙인다.
여기에 약 74˚C의 온도에서 내열성 DNA 플리머라아제를 가하면 부착한 프라이머를 시작 점으로 해서 DNA 사슬의 합성이 시작되고, DNA 사슬의 측면 방향으로 일방 통행적 합성이 진행된다.
이 과정을 거치면 필요로 하는 DNA 조각을 가진 DNA 사슬이 두 배로 불어난다. 약 30회 반복하면 이론적으로 약 100만 배까지 늘릴 수 있으며, 약 3시간 정도의 시간이면 가능하다.
이 PCR 기술은 유전자 조작 기술을 획기적으로 향상시킨 것으로 유전자 해석을 비롯해 병원균의 검출, 생물체의 진화 분석 등 의학·유전학·생명공학·법의학 등 다양한 분야에서 응용되고 있다.
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