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첨단 유전공학기술을 해양생물에 적용하는 연구가 70년대 이후 활발해지고 있다.

해양생물공학은 지구표면의 7할을 차지하면서도 아직 인류의 미답지역인 해양에 서식하는 생물을 대상으로 한다. 생물이 지닌 각종 물질변환 정보변환 에너지변환의 기능을 직접 간접으로 이용하여 식량 의약품 화학약품 등 인간이 필요로 하는 각종 유용물질을 생산하려는 유전육종학적 기술을 말한다.

해양생물공학은 해양에 살고 있는 방대한 생물군을 대상으로 하고 있기 때문에 그 성격상 광범위한 응용분야를 포함하고 있으며, 생물공학의 특성상 여러가지 학문분야가 융합된 종합과학의 성격을 띠고 있다. 해양생물은 크게 어류 패류 조류 미생물로 나누는데, 이들은 모두 30문(門) 50만종(種)이나 된다. 지구상에 존재하는 생물의 약 80%에 해당하는 종이 바다라고 하는 거대한 수조에서 살고 있다고 말해도 과언이 아니다.

이 가운데 가장 초미의 관심사는 식량부족을 해결하는 일이다. 인구증가와 식생활방식의 변화로 인해 단백질 공급원으로서 수산자원의 비중은 날로 커지고 있지만 공급이 수요를 따르지 못하는 불균형 현상이 점차 심각하게 나타나고 있다. 독일 막스플랑크연구소 제크 셀박사에 따르면 60년대만 해도 2000년의 세계인구가 65억 정도로 예상됐으나 최근에는 앞으로 30년후의 인구가 80억이 될 것으로 예측되고 있다. 식량생산을 위한 경작면적이 10% 늘어난다고 해도 지금과 같은 인구증가가 계속되는한 21세기 초에는 20억이상이 굶주림에 시달리게 된다는 얘기다.

지구촌이 안고있는 배고픔이라는 질병을 치료할 기술개발의 필요성이 절실해짐에 따라 유전공학 연구도 70년대부터 대상생물의 폭을 육상(陸上)생물에서 해양생물쪽으로 눈을 돌리게 됐다.

새생명의 창조를 지향

흔히 해양생물공학의 성과는 '세포조작에 의한 복제동물''20세기 최대의 기술혁신' 등등 신문에 큼직한 제목으로 포장된다. 이 신비한 기술개발은 어류를 포함한 고등동물의 세포속에 들어 있으면서 생물의 형질을 결정하는 유전인자를 조작 또는 재결합하여 새로운 형질의 생명체를 만들고 품종개량을 통해 식량자원을 개발하는 유전공학에 관한 산업적 응용의 일부다.

유전공학기술은 60년대까지도 신(神)의 고유권한으로 치부해 왔던 '새생명 창조영역'에 인간이 손을 대기 시작한 것을 의미한다. 현재 여러가지 기술적인 접근방법을 통해 인류의 식량자원 해결이라는 지상과제를 풀어가고 있으며 세포의 대량생산이나 생체모방으로 흔히 '생명의 연금술'이라 불리기도 한다.

생물자원은 지하자원과 본질적으로 달라 그 자체가 증식하는 힘을 갖고 있기 때문에 이용여하에 따라서는 고갈될 걱정이 없는 자원이다.

사람과 마찬가지로 어류는 현미경으로 볼 수밖에 없는 많은 세포로 이루어져 있다. 각각의 세포는 얇은 막으로 싸여있고 내부에는 핵(nucleus)이라고 불리는 작은 구(球)가 들어있어 각 세포마다 한마리의 어류를 만들어내는데 필요한 설계도가 담겨있다.

1965년 멘델은 부모로부터 자식에게 성질을 전하는 것을 '인자'라고 표현했고, 그 실체가 밝혀진 것은 1953년 왓슨과 크릭이 공동으로 유전자 본체를 발견하면서 부터다. 유전자 구조는 복사해 나가는 면이나 유전자를 발현시키는 면에서 실로 합리적인 것으로, 식물이나 동물의 유전자 구조가 거의 똑같다.

멘델이 의미하던 인자는 세포핵 속의 DNA(유전정보물질)가 부모로부터 자식에게, 자식에서 손자대로 전달되는 것이며 DNA속에 생물에 필요한 모든 정보가 포함되어 있어 부모의 DNA를 복사하여 자식에게 넘겨주는 것이다.

어류를 포함한 고등생물의 DNA는 보통 끈모양으로 존재하고 있으나, 세포분열시에는 색소로 염색하기 쉬운 덩어리 모양을 하고 있는데 이것이 바로 염색체다. 염색체내에는 많은 유전인자가 포함돼 있고 세포속에는 같은 염색체들이 다수 존재한다. 잉어의 경우 1백개의 염색체가 한 세포안에 있는데 이 속에는 약 5만개의 유전자가 들어있다. 이들 유전인자가 변화되어 뇌조직도 되고 꼬리도 되고 지느러미도 만들어지는 것이다.
 

슈퍼 물고기 3배체 어류

유전자가 규명되고 유전인자를 포함한 염색체가 분석되면서 과거에는 교잡이 가능한 종 이외에는 유전자 교환이 일어나지 않는다는 개념아래 형질의 도입은 같은 종이나 근친종간에 제한되었으나 근래에는 종의 개념을 떠나 그 개체의 내병성(耐病性) 내한성(耐寒性) 육질(肉質) 먹이효율 등의 좋은 우량형질을 찾아내서 품종을 개량하는 실험이 진행되고 있다. 또 어류가 미성숙상태에서 포란되지 않고 계속 성장하는 염색체공학기술이 시도되고 있다.

염색체공학은 염색체를 인위적으로 특수처리하는 기술로 난자나 정자단계의 초기세포를 조작함으로써 정상인 어류(2배체, diploid)의 성장을 촉진하고 육질개선과 대형어류의 생산을 유도한다.

유전자조작을 이용한 3배체 어류의 생산도 최근 연구가 활발하다. 난자가 수정후 일정시간이 경과되면 제2감수분열 중기(metaphase)에서 후기(anaphase)로 진행하는데, 이때 수온을 이용해 물리적 충격을 가하면 일단 분열하기 시작한 제2극체(secondary polar body)가 충격을 받아 다시 난자속으로 들어간다. 두개의 염색체끼리 융합해 그대로 난자핵이 형성되고 동시에 수정된 정자핵과 합쳐져 3배체의 어류가 된다. 이와같이 새로운 실험방법이 계속 개발되고 있으며 현재 해양연구소 연구팀이 개발중인 저온 고온 초음파 등 물리적처리에 의한 3배체 어류도 높은 성공률을 보이고 있다. 3배체 어류는 불임이기 때문에 고급어종이라고 일컫는 연어 송어와 같은 어류에 적합하다. 성숙기에 난자와 정자의 형성에 필요한 영양분을 빼앗기지 않아 맛과 육질이 좋으며 성장률이 빠르고 사료효율도 향상돼 높은 상품가치가 유지된다.

현재 해양연구소에서는 고급단백질자원의 최대 확보를 목표로 3배체 어류를 이용해 6배체의 거대어류를 생산하는 연구를 진행중에 있다. 또한 정상적으로 수정을 한후 일반적인 2배체 어류를 만들어 제1란 분열때 물리적 처리에 의한 4배체 어류를 얻는 실험도 병행하고 있다.

현재 전세계적으로 20여종의 3배체 어류가 산업화되고 있거나 산업화를 위한 연구단계에 들어가 있다. 물론 이와같은 세포조작 연구를 할 때 감수분열과정에서 상동염색체가 제대로 짝을 짓지 못하여 실험동물이 초기에 대량 폐사되는 등 앞으로 해결해야 할 연구과제가 더많은 것도 사실이다.
 

암수구별과 호르몬처리 기술

염색체 공학연구 중에서 우리 연구팀이 착수하고 있는 또 다른 시도는 어류 수컷의 정자를 이온화 또는 비이온화 방사선처리하여 정자의 핵물질을 불활성화시키고 난자와 수정시킨 후 화학적 처리를 하는 것이다. 이와같이 유도된 자성발생성 2배체(gynogenetic diploid)어류는 유전인자의 재조합에 따라 50%이상이 내교배 어류가 된다. 따라서 이들은 모계의 형질만을 지니게 되고 만일 모계의 유전인자 형질이 우수하다면 그 형질을 1대에서 고정시킬 수 있다.

성(sex)결정과정에서 암컷 동형접합일 경우 실험 유도된 모든 어류는 암컷이 된다. 이 실험방법으로 적용할 수 있는 대상어류는 넙치인데, 암컷의 성장이 수컷보다 빨라 이 유전자 조작기법을 이용하여 우량 암컷만 생산할 수 있다.

이와 반대로 난자를 방사선 물질로 파괴하고 정상적인 정자와 수정후 물리적 처리를 해주면 수컷이 상품가치가 높은 어류를 대량 생산할 수 있는데, 적용 가능한 어류는 역돔이다. 역돔은 암컷에 비해서 수컷의 성장이 빠르고 암컷이 있으면 역돔의 밀도가 지나치게 높아져 성장이 지연되므로 이 유전자조작기법을 적용하고 있다.

그러나 기법에 따라서 유도될 실험동물이 100% 암컷과 수컷으로 유도되지 않는 경우가 있어 성결정에 관한 전반적인 연구가 시급한 실정이다.

어류에서 얻은 난자로 자성발생성 2배체의 신품종 어류를 만들면 유전적으로 완벽한 개체수준의 동형 접합성 클론(clone)을 만들 수 있어 복제어류의 대량생산이 가능하다. 복제어류의 또 다른 생산방법은 어류에 수정을 시키고, 수정란 속에 있는 유전물질을 함유한 핵을 제거한 후 다른 어류의 소장상피세포로부터 핵을 끄집어 내어 핵을 제거한 수정란에 집어넣는 기술이다. 이 기술은 아직 연구가 계속돼야 할 분야다.

염색체를 조작하지 않고 유전학적 성전환을 시도하는 경우 호르몬처리를 이용하여 실험에 임하고 있으며 매우 높은 산업화율을 보이고 있다. 이외에도 성장호르몬에 관한 인자를 화학적으로 규명하여 실험실에서 합성하고 대장균에 삽입한 후 이러한 성장호르몬을 대량생산하여 어류에 급식이나 주사로 투여, 성장을 촉진하는 연구도 꾸준히 이뤄지고 있다.
 

찬반 양론 비등한 유전자 조작기술

유전자조작은 그 응용범위가 하등동물에서부터 고등동물에 이르기까지 다양한데 그중에서도 식량문제를 위한 연구는 세계각국의 대학 연구소 기업들이 활발한 연구를 진행중이어서 상당히 빠른 발전을 보이고 있다.

한편 설계도에 따라 생물을 실험실에서 만들어내는 생물학적 공포에 대한 우려가 높아지고 생태계에 대한 불균형 문제도 열띤 논란이 진행되고 있다. 유전자 조작에 관련된 문제는 과학적 진보가 이루어질 때마다 놀라움과 함께 사회적으로 찬반양론을 제기되고 있어 윤리와 자연섭리의 차원에서 비난의 표적이 되고 있다. 그러나 식량증산에 관한한 상당히 좋은 반응을 얻고 있다.

선진국들은 최첨단 유전육종기술 분야에서 우위를 계속 유지하기 위해 다른 나라에 기술협력이나 이전을 하는데 날이 갈수록 인색해지고 있다. 우리나라는 기술개발력과 생산기술의 70%가 선진국 수준에 미달하고 있는 실정이나, 최첨단산업 테크노폴리스건설과 이에 따라 연구시설을 완전가동하는 새로운 연구관리체계가 계획중이고, GNP대비 연구개발비가 계속 높아지고 있어 해양생물공학 분야는 전망이 밝다고 할 수 있다.

1천3백t급 온누리호 내년초 완공해양탐사의 주역 해양조사선

한반도 주변의 심해탐사도 할 수 있는 본격 종합해양조사선 온누리호가 내년 1월 진수를 목표로 현재 건조중에 있다.

바다는 우리가 알고있는 부분보다 아직 알지 못하는 부분이 더 많다. 바다속에는 내우주라 불리는 대양의 심해저가 있고 또 바다속의 지질과 해양생물에 대해서도 최근에 와서야 신비로운 사실이 한꺼풀씩 벗겨지고 있을 뿐이다.

해양에 관한 탐사활동은 그 대상이 바다이기 때문에 수많은 어려움이 따른다. 해수라는 독특한 매질로 인한 정보전달과 조사의 어려움, 10m에 1기압씩 증가하는 엄청난 수압 등 크고 작은 장벽들이 가로놓여 있다.

해양을 관측 조사하는 주체는 조사선이다. 해양에 대한 근대적 연구는 19세기 영국의 챌린저(Challenger)호로부터 시작됐다. 해양개발이 세계적으로 각광받기 시작한 1960년대 이후 해양학 자체가 해양물리 해양화학 해양생물 해양지질 해양환경 극지연구 해양기상 등으로 세분되고, 보유장비도 현대화됨에 따라 탐사기술에도 엄청난 변화가 일어났다. 해양조사선도 다목적 해양조사선외에 보다 전문적인 활동이 가능한 조사선들이 나와 다양한 해양조사활동이 이뤄지고 있다.

해양조사선은 일반 항로를 벗어날 뿐만아니라 해역이나 계절에 관계없이 항해를 해야 하므로 기후나 파도에 잘 견디도록 설계돼야 하며 선박의 항속거리도 잉ㄹ반 선박에 비해 길어야 한다. 또 음향기기 정밀관측기 등 첨단장비를 손쉽게 운용할 수 있어야 하며, 선상에서 실험이나 조사활동을 하는 연구자를 위해 동요 소음 진동도 적어야 한다.

악천후와 폭풍에도 견뎌야

앞에서 언급한 해양조사선을 몇가지 소개하면 지질조사선 기상관측선 어업조사선 종합해양조사선 등이 있다.

지질조사선은 해저지질조사에 필요한 여러가지 설비와 장비를 갖추고 있다. 주요 장비로는 정밀음향측심기, 염분 수온측정기, 지질탐사시스템, 중력계, 수중음파탐지기(side scan sonar)등이 있다.

기상관측선은 단기 또는 장기 해양기상을 관측하는 조사선으로 기온 습도 기압 풍향 풍속 강우량 일사량 등을 기본적으로 측정한다. 또한 기상위성과 연결되어 여러 곳의 기상을 종합적으로 관측하는 관측망을 구축하기도 한다.

어업조사선은 해양생물자원의 분포, 부유생물파악, 어장조사 등을 목적으로 한다. 이 조사선은 통상 원양 및 고위도 해역에서 항해와 조사가 가능하도록 설계되며, 양승기 양망기 천양기 등 어로기계와 수직어탐 수평어탐 등 어업계측기를 갖추고 있다. 우리나라의 경우 국립수산진흥원과 각 수산대학에서 시험조사선 및 수산실습선을 다수 보유하고 있다.

종합해양조사선은 해양물리 화학 생물 지질 환경 등 여러 분야의 조사를 동시에 할 수 있게 건조된 조사선으로 전문적인 조사선들보다 규모가 크다. 따라서 이 조사선은 각국의 국립해양연구기관이나 대학에서 운영하면서 국책연구나 정밀조사에 폭넓게 이용된다.

우리나라의 경우 한국해양연구소가 보유한 반월호(80t급)와 한국동력자원연구소의 탐해호(1백80t급)가 해양조사 목적으로 건조돼 그동안 연구사업을 수행해왔으나 장비의 열세로 조사범위가 연근해에 국한됐다. 그러나 내년초 완공을 목표로 현재 노르웨이 미엘렘 칼센조선소에서 건조중인 종합해양조사선 온누리호(1천3백t급)가 확보되면 우리나라 연안은 물론 주변 심해까지도 해양조사가 가능해진다.

온누리호는 미국 일본 프랑스 영국 등 선진 해양 국가들이 대양탐사를 목적으로 보유하고 있는 3천t급 이상의 대형 해양조사선 보다는 작은 규모지만 운동성능과 조종성능이 우수한데다 내빙(耐氷)구조로 설계되어 지구상의 전 해역이 온누리호의 조사대상 해역이 될 수 있을 것이다.

또한 해양조사에 필요한 기본적인 조사 장비를 선진국 대형 조사선과 비슷한 수준으로 고루 갖추고 있어 개략 탐사는 물론 고정밀 탐사까지 할 수 있다. 태평양 광물자원 탐사, 심해저 정밀탐사, 석유 자원탐사 등 해양 개발의 핵심적인 역할을 수행할 계획이다.

온누리호의 제원을 살펴보면 길이 63.4m 폭 12m 길이 5.1m이며 무게는 1천3백t, 순항속도는 13.5노트, 항해거리는 9천마일 이상, 승선인원은 41명이다. 주요 장비를 몇가지 소개하면 위치조정시스템(dynamic positioning system) 통합항법장치(integrated navigation system) 다중음향측심기(multi beam echosounder) 지진탐사시스템(multi-channel seismic researching system) 어업용 음향탐지기(scanning sonar) 등이 있다.

위치조정시스템은 각종 항법장치와 연결되어 선박의 움직임을 전후 좌우 어떤 방향으로도 조정할 수 있으며, 해상에서 닻을 내리지 않고도 선박을 고정시켜 정점(靜點)조사작업을 진행할 수 있게 하는 장비다.

통합항법장치는 인공위성항법장치 라디오항법장치 자이로(gyro) 등을 통합하여 해상에서 정밀한 배의 위치를 얻어내는 장비다.

다중음향측심기는 배의 폭방향과 송수파 가능범위내의 해저횡단면 전체를 동시에 측정할 수 있는 고성능기기다.

지진탐사시스템은 음원장치 수파기 선상데이터수록 및 신호처리장치로 구성된다. 어업용 음향탐지기는 항로방향에 대해 ±90도에 이르는 수평방향으로 음파를 발사하고 어군(魚群)으로부터 반사파를 탐지한다. 송수신방식은 전자적으로 전방향 빔을 만들어 동시에 전방향 탐사가 가능하도록 돼 있다. 최근에는 컴퓨터를 이용하여 탐지된 데이터를 3차원으로 표시하기도 하고 그물내로 어군이 채집됐는지 여부, 수심과의 관계 등을 화면으로 볼 수 있는 첨단장비도 등장하고 있다.