휴먼 게놈프로젝트는 21세기 인류의 삶을 바꿔놓을 것인가. 출범후 5년이 지난 휴먼게놈프로젝트란 무엇이며 어떤 과정을 밟고 있는지, 이 프로젝트 완성이 낳을 미래사회는 어떤 것일지 살펴보자.
20세기 인류최대의 프로젝트인 인체게놈연구가 범세계적으로 착수된 지 벌써 5년이 지났다. 그동안 어떤 변화가 있었는가? 초창기에는 게놈연구에 대한 찬반의 목소리가 높았으나, 지금 이 시점에 와서 반대의견은 찾아보기 힘들다. 과학자들은 계획보다 빠른 속도로 연구를 진행하고 있고 그 가시적 결과가 속속 보고되고 있다.
인체게놈의 1차 물리적 지도가 2년 전에 완성되었고 이미 DNA염기서열 결정도 2억 문자를 돌파하였다. 인체게놈연구가 1차 종료되는 2004년에는 사람게놈의 염기서열은 물론 타생물의 유전정보도 상당량 해석되어 약 1백억개의 유전문자가 결정될 것으로 보고 있다. 벌써 과학자들은 게놈연구 결과를 만끽하면서 새로운 차원의 생명과학을 구상하기 시작했다. 유전자치료가 그 예다.
앞으로 우리는 세계 유전정보를 전산망을 통해 손쉽게 얻고 생명현상을 분자수준에서 종합적으로 볼 수 있게 될 것이다. 또한 자신의 유전정보를 손쉽게 꺼내 볼 수 있는 날도 멀지 않았다. 생명과학의 세기적인 변혁이 성큼 다가온 느낌이다.
한 생물이 지닌 유전정보의 집합체
게놈(genome) 이란 한 생물이 지니고 있는 모든 유전정보의 집합체를 일컫는 말이다. 다시 말해 한 생물의 설계도라 해도 과언이 아니다. 지난 1백년간 과학자들은 이 유전정보를 담고 있는 물질을 밝히려고 피나는 연구를 계속해왔다. 그 결과 유전물질이 바로 DNA(디옥시리보핵산)라고 하는 핵산임을 규명하였다.
이 DNA는 A(아데닌), C(시토신), G (구아닌), T(티민)이라고 하는 4개의 염기조합으로 이루어진 직선형 생체고분자다. 사람의 경우 게놈DNA 안에 30여억개의 문자가 수록돼 있는 것으로 알려졌다. 인체게놈연구는 이 게놈DNA 유전문자의 서열을 순차적으로 결정하자는 연구다.
그런데 왜 이 연구가 온 세계 과학자의 관심을 불러 일으키고 세기적인 역사로 규정되고 있을까? 이는 게놈 연구가 미래사회에 대한 철저한 준비이고 인류사회와 문화에 심대한 영향을 주기 때문이다. 다른 한편으로 아직 게놈DNA의 염기서열을 한꺼번에 읽어나갈 기술이 없고 또한 현재의 기술수준으로는 천문학적 경비가 소요되기 때문이다.
사실 게놈연구는 10여년 전에 등장한 유전공학기술이 있었기 때문에 착수될 수 있었으나, 아직 수십만개 정도의 염기로 구성된 DNA를 다룰 수 있는 기술수준에 머물러 있다. 거대 DNA를 다룰 수 있는 획기적인 유전공학기술 개발이 게놈연구의 부차적인 목표가 된 것은 이러한 이유에서다.
그렇다면 현재 인체게놈연구는 어떤 방법으로 진행되고 있는가? 우선 30여억개의 염기로 구성된 인체게놈 DNA를 여러 조각으로 나누어 보관하고 그 조각들의 연결점을 찾아 정리해 놓는 일을 한다. 이것이 게놈 지도 작성이다.
지도작성에는 두가지 방법이 있다. 하나는 매 10만번 정도의 위치에 표지를 해놓는 물리적 지도작성이다. 이는 수학적인 거리 개념이 도입된 방법이다. 또다른 것은 유전적 지도작성이다. 이는 인체에서 특정 기능을 하고 있는 유전자의 상대적인 위치를 표기하는 작업이다. 이는 마치 관광지도와 같이 특정위치만을 표시해 놓는 것이다.
이러한 게놈지도작성을 여러 차례 반복하여 현재 유전공학기술이 다룰 수 있는 DNA 크기로 나누어 놓고 그 DNA조각의 염기서열을 결정한다. 그리고 그 염기서열들을 모아 다시 연결함으로써 전 게놈 DNA의 유전정보를 조립할 수 있게 된다. 이는 만리장성을 쌓는 일보다 더 방대한 인류의 대역사가 되는 셈이다.
다음으로 이렇게 결정한 유전정보를 현재 우리가 갖고 있는 정보분석장치에 도입해야 한다. 다시 말해서 전산화 작업이다. 우리 눈으로는 수십억개의 A, C, G, T의 문자만으로는 아무런 의미를 찾아낼 수 없기 때문에, 컴퓨터에 넣고 체계적으로 분석할 수 있는 장치가 필요하다. 전산화된 유전정보는 누구나 쉽게 꺼내어 볼 수 있고 필요한 유전정보만을 활용하여 생명현상을 이해하는 연구를 할 수 있어야 한다.
가령 두뇌의 유전정보는 두뇌구성분자를 만들어 두뇌작용기전을 들여다볼 수 있게 해 준다. 인슐린과 같은 의약제제나 세정효소와 같은 산업제제를 다양하게 생산할 수 있는 산업정보를 얻을 수도 있다. 그러나 인체게놈 유전정보의 분량만도 엄청나서 현재 슈퍼컴퓨터로 분석하기에도 벅찰 정도다. 처리속도가 한차원 높은 새로운 형태의 전산장치와 전산 운영체제가 요구되는 실정이다.
새로운 과학기술 창출 기대
생물게놈의 유전정보는 우리에게 무엇을 안겨줄까? 인체게놈연구를 통해 일차적으로 얻을 수 있는 직접적인 결과는 인간과 생물의 유전정보지만, 다른 하나는 새로운 과학기술 창출이다. 두가지 모두가 21세기 산업을 형상화하는 필수조건이 된다. 21세기에는 화석연료가 고갈됨으로써 석유산업이 마감되고 그 자리에 생물산업이 들어오게 된다.
또한 생명공학은 식량 에너지 보건 환경 산업소재 문제 등을 해결해주는 유일한 대안이다. 이를 위해서는 생물의 기본 구성과 기능을 이해해야 하는데, 우선 유전정보가 핵심적인 요소가 된다. 결국 21세기 산업주도권을 갖기 위해서는 누가 더 많은 생물 유전정보를 갖느냐가 관건이 되는 셈이다.
게놈연구를 수행하면서 생명과학은 모든 과학분야의 공통연구대상이 되었다. 이전에는 생명현상 이해라는 과학의 연구목표가 생물학자에 국한되었다. 그러나 게놈이라는 생명과학연구에는 수학 물리학 화학 생화학 생물학 의학 전기공학 전산학 기계공학 등 모든 분야 과학자들이 함께 참여하고 있다.
이들은 게놈 유전정보 규명이라는 공동연구과정을 통해 생명현상의 포괄적 이해는 물론 새로운 연구방법과 과학기술을 창출해가고 있다. 이러한 종합적 접근은 독창적이고 새로운 과학기술 개념을 창출할 것으로 기대되고 있다. 게놈연구를 통해 등장하는 새로운과학기술은 미래 과학구현사회의 장을 여는 관건이 될 것이다.
이렇게 21세기를 준비하기 위해 미국과 일본을 위시한 선진기술국에서는 천문학적인 투자를 서슴없이 하고 있다. 미국은 1990년 인체게놈연구에 착수하면서 관련 모델동물과 신과학기술연구에 집중하였다. 그동안 이루어진 연구투자만도 15년 동안 30억 달러에 달한다. 전세계 생명과학의 선도적 위치를 유지하겠다는 단호한 결심을 보여주고 있다.
프랑스는 인체게놈 지도작성에서 주도적인 역할을 수행하면서 유전병과 같은 질환연구에 주안점을 맞추고 있다. 인체게놈의 1차 물리적 지도도 프랑스 과학자들에 의해 완성됐다. 프랑스의 축적된 유전학 지식과 연구체제는 세계 과학자들을 놀라게 했다.
한편 후발국인 일본은 구미각국의 기초적인 연구방향보다는 유전정보의 산업적 이용에 치중하여 벼의 게놈연구 및 산업미생물 게놈연구에 착수했다.
세계 게놈연구의 진척이 당초 계획보다 빨라 게놈연구의 조기완료가 예상되고 있다. 그 여력으로 미국 에너지부에서는 미래 산업에 유용할 것으로 판단되는 극한 내열성 미생물의 게놈연구에 추가로 착수했다.
이들은 1백℃에서 자라는 초내열성 파이로코커스(Pyrococcus f.)와 70-80℃에서 서식하는 메타노코커스(Methanococcus j.) 그리고 메타노박테리움(Methanobacterium t.)이라는 극한 미생물을 선정했다.
산업환경이 고열과 고압과 같은 매우 격렬하고 극한적인 환경이므로 이에 적응할 수 있는 새로운 산업효소를 대량 창출하여 석유산업의 대체기술개발에 우위를 점하자는 포석이다. 선진기술국의 빠른 행보에 숨 돌릴 여유가 없다.
여기서 게놈 연구결과와 연관지어 다가올 미래사회를 예측해 보자. 의외로 구체적인 투영을 가능케 해주고 있다.
먼저 생물산업사회의 도래다. 생물이 갖고 있는 생체분자의 생합성 능력은 석유산업의 화학합성보다도 훨씬 정교하고 다양하다. 생물의 게놈유전정보는 생합성 기구에 해당하는 각종 효소를 유전공학적으로 손쉽게 제조 하도록 함으로써 산업기술에 바로 활용하게 해준다. 이는 기존 석유산업의 최종제품을 모두 대체하고 나아가 새롭고 차원 높은 신규 생물산업소재를 창출할 것이다. 이 신소재는 새로운 문화형태와 생활유형의 구도를 잡아주는 계기를 마련할 것이다.
다른 한편으로 생물산업은 환경정화의 근본대책을 제공해줄 수 있다. 생물산업공정은 석유산업공정과 달리 공해 부산물을 거의 생성하지 않고 단순공정단계에 에너지 소모가 적어서 환경오염원을 근원적으로 제거해줄 수 있기 때문이다.
또한 게놈연구는 생물의 자연환경 적응능력에 대한 이해를 증대시킬 것이다. 이는 멸종 생물 보존과 생물세계의 먹이사슬 고리를 이어줄 수 있는 방안을 제공하기 때문이다. 지구 생물 유지와 공생에 대한 염원이 허상으로 남아 있지는 않을 것이다. 인류가 생존하기 위해서는 지구생물과 공존해야 하는 불가피한 상황이기 때문이다.
둘째 인류는 한차원 높은 의료혜택을 누릴 것이다. 인체의 모든 설계도가 알려짐으로써 질병의 근본 원인을 이해하게 되고 질병에 대한 게놈 DNA 수준의 분자치유법이 등장할 수 있기 때문이다. 유전자치료가 그것인데, 유전병의 원인을 DNA 상에서 교정해줌으로 써 질병의 근원적인 치유를 가능케 해준다. 이 유전자치료는 수많은 생의학제제 개발과 함께 아마 인류의 평균수명을 1백세 정도까지 끌어올릴 것으로 기대된다.
셋째 또다른 미래예측으로 생체모방기술의 본격적인 등장이 있다. 우리가 알고 있는 생체기능 중에 인간의 두뇌작용과 생체감지장치, 식물의 광합성, 동물의 동력기관 등 현대과학으로 모방하기 어려운 생명체 수준의 과학현상들이 있다. 이것들은 과학자의 꿈이자 이상이었다. 그런데 생물의 전 유전정보가 밝혀짐으로써 그 과학현상들을 관장하는 구체적인 기구들을 인공적으로 제조하거나 생체현상을 모방할 수 있게 되었다.
넷째 이러한 변화의 결과, 미래사회는 생물 산업이 선도하는 과학구현시대가 될 것이다. 이는 인간의 사회행태와 가치관이란 점에서 보면 의미있는 시작이 된다. 분석적인 개념의 서양과학철학에서 유기적이고 종합적인 개념의 동양사상이 인체게놈연구를 통해 표출되기 때문이다. 미래사회는 그 구심점이 '생명'이라는 기준을 가지고 유기적으로 움직이고, 또 자연과의 조화가 요구되는 사회로 발전할 수밖에 없을 것이다.
결국 생명현상의 원리가 구현되는 '자연주의'가 새 문명권에 등장할 것이다. 이는 기존 인본주의가 보편화된 개념으로 자연과의 조화 내지는 생물공존을 함축하고 있다. 이렇게 게놈 연구는 그 연구 자체만으로 끝나는 것이 아니고 과학적 해석의 범주를 넘어 문화와 인간사회에 엄청난 변혁을 불러 일으킬 것이다.
확보된 유전정보끼리만 교류가능
게놈연구결과의 확보와 관련하여 심각한 문제가 제기되고 있다. 천문학적인 연구투자를 한 선진기술국에서 이 게놈연구의 결과인 유전정보를 누구에게나 무상으로 제공하겠느냐는 것이다. 원칙에서는 인류 공동의 지적재산이라고 하지만 실제는 유전정보로의 접근이 차단되고 있다.
이미 미국 국립보건원(NIH)에서는 인간 두뇌에 관한 일부 유전정보를 특허출원한 일이 있다. 그러나 유전정보는 인류 공유의 지적 재산으로 간주해야 한다는 세계여론에 밀려 특허출원이 보류되었다. 그후 연구진과 관련 게놈연구는 한 사설연구소를 옮겨졌고 연구성과의 일반공개를 거부하고 있다.
최근 소식에 따르면 이 사설연구소는 스미스크라인이라는 세계적인 제약회사와 보유하고 있는 유전정보에 대한 전용구독권을 계약 하였다. 대가는 1천만 달러라는 엄청난 구독료였다. 이러한 상황에서 세계 연구기관들은 독자적으로 보유하고 있는 유전정보 공개를 보류하고 있다. 독자적으로 유전정보를 확보하는 것이 사용료를 지출하는 것보다 훨씬 유리하기 때문이다.
그 결과 게놈연구에 참여하지 못한 후발국 연구자들만 발을 동동 구르는 상황에 이르렀다. 후발국 연구자는 자신의 몸속에 있는 유전정보를 알기 위해 돈을 지불해야 하는 사태다. 더 심각한 것은 유전정보 차단으로 생명과학연구를 원천적으로 봉쇄당할 수도 있다는 점이다.
결국 앞으로는 각기 독자적인 유전정보를 가진 국가와 연구기관 간의 상호교류만이 이루어질 것으로 보인다. 그렇다면 우리도 지금이라도 나름의 독자적 연구영역을 설정하여 유전정보를 구축할 수밖에 없다.
다행히 우리나라도 지난해부터 게놈연구에 착수했다. 그러나 아직 그 규모는 미국의 0.1% 수준에 이르는 미미한 실정이다. 우리도 독자적인 유전자원센터와 유전정보전산센터를 구축하여 앞으로 전개되는 추이를 예의 주시하고 내실있는 준비체제를 갖추어야 한다고 본다. 이는 미래를 준비하는 일이다.
인체게놈연구와 관련, 또하나 짚고 넘어갈 것이 있다. 연구를 통해 얻어진 유전정보는 인류문화 향상과 자연존중사상을 구축하는 방향으로 활용되어야 한다는 점이다. 유전정보 악용으로 인간생활의 윤리상실과 생물 남용, 그리고 자연파괴를 일으키는 것은 용납될 수 없다.
모든 과학기술이 남용했을 때는 커다란 재앙을 불러일으켰고 선용했을 때는 인간과 자연에 넉넉한 혜택을 제공했던 것을 상기하여야 한다. 이는 인간생활에 새로운 시야를 요구하고 있다. 인간이 자연과 생물 위에 군림하는 것이 아니고 자연과 공존해야 한다는 현실을 알게 해주는 것이다. 인류문화 흐름에 새로운 방향이 제시되고 있는 셈이다.
생체기구 모방, 제2의 산업혁명 꿈꾼다
생체기구의 일차적 모방대상은 인간두뇌다. 이미 게놈연구를 통해 두뇌관련유전자를 대거확보하고 재현해볼 수 있는 기반이 구축돼 가고 있다. 이는 두뇌작용에 대한 이해증대는 물론 새로운 차원의 전산체계를 그려보게 한다.
지금의 반도체 수준 컴퓨터에서 분자세포 수준의 새로운 차원의 컴퓨터가 등장하리라는 예측은 그리 어렵지 않다. 벌써 바이오칩이 등장하고 있는 실정이다. 한편 두뇌작용과 연관하여 생체는 시각과 미각 촉각 청각 그리고 후각과 같은 이상적인 감지장치들이 있다.
생체의 신호전달 관련 유전자 활용은 새로운 형태의 감지장치로 이어질 것이다. 이는 고도의 미래조직사회의 구성요소가 된다. 왜냐하면 문화수준이 향상되고 사회구조가 복잡해짐에 따라 인간생활과 산업활동에 대한 다양한 감지 및 조정장치가 요청되기 때문이다. 벌써 바이오센서가 산업현장에서 사용되기 시작했다.
식물 광합성 또한 모방의 대상이다. 태양의 광에너지를 받아 대기중의 탄산가스와 물을 재료로 하여 포도당과 같은 화학에너지로 전환시키는 과정이다. 광합성 관련기구의 유전정보를 활용하여 광화학반응에 대한 이해의 폭을 넓힌다면 인공광합성 장치가 완성되는 것은 시간문제다. 탄산가스 고정화가 현실화되면 에너지 문제는 물론 지구 대기환경보존에서 결정적인 역할을 감당할 것이다. 제2의 산업혁명을 예고해주는 대목이다. 또다른 생체모방기술은 새로운 개념의 동력기관이다. 21세기 중엽에는 석유를 태우며 움직이는 자동차는 아마사라질 것이다. 석유자원의 고갈 때문이다. 그래서 새로운 개념의 동력기관 등장이 요구되고 있다.
그런데 동물은 포도당 대사과정을 통해 운동에너지를 창출하여 움직이고 있다. 동물은 이상적인 동력장치를 갖고 있는 것이다. 그 주된 운동에너지 생산장치는 근육이다. 그 재현은 기계공학도의 영원한 연구목표가 되고 있다. 게놈연구와 생명과학 연구가 계속 이어지는 한, 생물의 대사동력기관 실현이 꿈으로만 남아 있지 않을 것으로 본다.
