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지난해 11월 미국의 크레이그 벤터 박사는 인공DNA를 결합해 새로운 바이러스 유전자를 만드는데 성공했다고 발표했다. 벤터 박사가 만든 바이러스 유전자는 박테리아에 감염되는 박테리오파지의 것으로 5천3백86개의 염기로 이뤄져 있다. 이 모든 것이 이미 밝혀진 서열에 따라 염기들을 하나하나 결합시켜 만들어졌다.

바이러스는 DNA 복제에 필요한 효소가 없기 때문에 대신 박테리아의 것을 이용한다. 박테리아 체내에서 바이러스는 자신의 몸을 구성하는 물질들을 합성한 다음 박테리아를 파괴하면서 밖으로 나간다. 벤터 박사는 박테리아에 이렇게 만든 인공DNA를 집어 넣었더니 자연 상태와 마찬가지로 바이러스의 구성성분들을 합성해냈다고 밝혔다. 과학의 발전이 이제 생명체까지 합성해내는 단계에까지 온 것일까.

생명의 비밀 담은 최소 게놈
 

생명과학계는 지난 10여년간 눈부신 발전을 했다. 그 발전의 핵심은 바로 유전자 연구였다. 미생물에서 인간에 이르기까지 수백종의 생물들을 대상으로 게놈프로젝트가 진행됐으며 수많은 유전자의 기능이 하나하나 밝혀지고 있다. 게놈의 크기가 작고 생체대사가 단순한 미생물의 경우 생명현상을 좌우하는 단백질의 기능에 대한 연구도 상당 부분 진행되고 있는 상황이다.

게다가 그동안의 유전자 연구과정에서 유전자를 자르고 붙이는 다양한 기술들도 개발됐다. 나아가 게놈지도에 따라 염기를 순서대로 붙여 개별 유전자를 합성해낼 수도 있게 됐다. 말하자면 건물의 설계도와 시공기술을 갖추고 있는 셈. 이 단계에서 인공생명체, 좀더 정확하게 말하면 인공미생물은 생명과학자들이 처음으로 도전하는 꿈의 건축물인 것이다.

미생물은 식품, 의약품 제조에 있어 빠질 수 없는 존재다. 수천년 동안 술, 된장, 간장, 조미료 등 발효식품을 만들어 인간에 공급해왔으며 페니실린과 같은 항생제의 약 80%가 미생물에 의해 만들어진다. 최근 들어서는 미생물을 이용해 환경오염물질을 제거하고 수소와 같은 미래 에너지원을 생산하려는 연구가 각광받고 있다.

환경정화의 보고라고 일컬어지는 갯벌도 사실 미생물 덕분이다. 각설탕 하나 크기인 갯벌 1cm3에는 오염 물질을 분해하는 박테리아가 약 1억-10억 마리 들어 있다. 미국 조지아대 유진 오덤 교수의 연구에 따르면 갯벌 1km2에 들어있는 미생물들의 오염물질 처리능력은 도시의 하수처리장에 맞먹는 2.17t이다. 그러나 자연상태에 존재하는 미생물들은 인간이 원하는 기능 외에 자신의 생명을 유지하기 위해 다른 부산물들을 만들어내기 때문에 효율이 떨어진다. 과학자들은 인공미생물을 만들려는 목적은 바로 이러한 미생물의 능력을 최고조로 발휘시키는데 있다.

그런데 한번도 실제 건물을 만들어본 적이 없는 건축가라면 당연히 최첨단 인텔리전트 빌딩보다는 방 한칸짜리 단출한 집부터 도전하는 것이 정석일 것이다. 생명과학자들은 이를 위해 생명체의 가장 간단한 건축 설계도를 만들고 있다. 바로 ‘최소 게놈’(minimal genome)이다. 말 그대로 생명 유지에 필요한 최소한의 유전자들만 모아놓은 것이다.

최소 게놈은 인공미생물 합성을 위한 가장 손쉬운 방편이 되지만 그 자체로 과학적 의미가 크다. 우선 최소 게놈은 그 자체로 생명의 기원 문제를 해결해줄 수 있다. 이를 바탕으로 다양한 생명체의 게놈을 비교하면 유전자들이 어떻게 진화해왔는지를 알 수 있다. 또한 최소 게놈을 갖춘 인공미생물을 만든 다음, 원하는 유전자를 추가하는 방법으로 유용한 물질을 효율적으로 합성해낼 수도 있다.

나아가 자연 상태에는 존재하지 않는 새로운 기능과 신물질을 만들어내는 것도 가능하다. 벤터 박사의 연구는 미국 에너지성으로부터 연구비 지원을 받아 진행됐다. 에너지성이 벤터 박사의 연구를 지원한 것은 이들이 만들고자 하는 인공생명체가 이산화탄소를 먹고 미래의 에너지원으로 각광받는 수소를 생산하는 미생물이기 때문이다. 에너지성은 3년간 9백만달러의 연구비를 지원하고 있다.

그렇다면 최소 게놈은 어느 정도일까. 벤터 박사와 함께 박테리오파지 DNA를 합성한 클라이드 허치슨 박사는 게놈의 크기가 가장 작은 미생물인 요도 감염균 마이코플라즈마 제니탈리움을 연구했다. 그 결과 1999년 12월 ‘사이언스’에 전체 5백17개의 유전자 가운데 2백65개에서 3백50개가 생명체로서 살아가는데 필요한 최소한의 유전자 세트라고 발표했다.

유전자 다운사이징 경쟁

벤터 박사가 목표하고 있는 최초의 합성 미생물도 바로 최소 게놈을 가진 마이코플라즈마로, 약 30만개의 염기로 구성될 예정이다. 참고로 가장 단순한 단세포생물들의 게놈도 60여만개의 염기로 구성돼있으며, 대장균의 염기는 5백만여개에 이른다.

사실 최소 게놈이란 개념은 마이코플라즈마로부터 시작됐다고 볼 수 있다. 1960년대 미국의 해럴드 모로비츠 박사는 ‘최종적인 생명체의 선조’(LUCA, Last Universal Common Ancester)를 찾는 과정에서 마이코플라즈마를 그 후보로 점찍었다. 이는 1995년 벤터 박사가 있던 게놈연구소(TIGR)에서 게놈을 해독한 결과 마이코플라즈마가 가장 작은 크기의 게놈을 갖고 있음이 밝혀지면서 옳은 결정이었던 것으로 드러났다.

마이코플라즈마의 최소 게놈은 1996년 미국립보건원(NIH) 유진 쿠닌 박사가 처음으로 밝혀냈다. 쿠닌 박사는 마이코플라즈마와, 미생물로서는 가장 먼저 게놈이 해독된 폐렴균인 해모필러스 인풀루엔자의 게놈을 상호비교해 공통분모를 찾는 방법으로 2백56개의 유전자로 구성된 최소 게놈을 찾아냈다.

최근에는 게놈의 크기가 훨씬 큰 미생물에서도 최소 게놈을 찾고 있다. 대표적인 것이 식중독을 일으키는 바실러스 서브틸리스. 지난해 4월 프랑스 농업연구소의 두스코 에를리히 박사는 바실러스가 갖고 있는 4천1백여개의 유전자 가운데 2백71개가 최소 게놈이라는 연구결과를 ‘미국립과학원회보’(PNAS)에 발표했다.

실험실에서 가장 유명한 대장균도 게놈 다운사이징의 대상이 되고 있다. 한국과학기술원(KAIST) 생명과학과 김선창 교수는 지난해 10월 ‘네이처 바이오테크놀러지’에 자체 개발한 유전자 절단기술로 대장균이 보유한 4천3백여개의 유전자 중 약 25%에 해당하는 1천여개의 불필요한 유전자를 제거하는데 성공했다고 발표했다.

미국 위스콘신대의 프레드 블래트너 박사와 헝가리 생물학연구소의 게오르기 포스파이 박사도 스카랩 지노믹스란 회사를 차려 실험실에서 흔히 쓰는 대장균(K12)과 병원성 대장균(O157) 의 게놈을 비교하는 방식으로 약 20%의 게놈을 줄인 것으로 알려지고 있다. 블래트너 박사는 1997년 대장균의 게놈을 완전 해독해 사이언스에 발표한 장본인으로, 최근 김선창 교수에게 대장균의 최소 게놈을 찾는 공동연구를 요청한 상태다.

깎거나 또는 쌓거나
 

최소 게놈으로 인공미생물을 만드는 방식은 크게 두가지로 나눌 수 있다. 우선 미생물이 가진 유전자 하나하나의 기능을 차단해가면서 생명유지에 지장이 없는 최소한의 유전자를 찾는 방식이다. 즉 위에서부터 하나씩 제거해가면서 최소 게놈을 남기는 하향식(Top down)이다. 그 반대는 이미 밝혀진 생명유지에 필요한 유전자들을 모아 최소한의 게놈을 구성하는 상향식(Bottom up)이다.

언뜻 보기에 상향식은 불필요한 과정이 하나도 없는 아주 깔끔한 합성법으로 생각할 수 있다. 그러나 상향식에는 유전자에 대한 모든 정보가 구비돼야 한다는 조건이 따른다. 1999년 허치슨 박사가 마이코플라즈마의 최소 게놈으로 발표한 2백65-3백50개의 유전자 가운데 1백개는 기능이 알려지지 않은 것들이었다. 기능도 모르는 유전자를 가지고 인공DNA를 만들기는 어려운 일이다. 최근 연구가 진행되고 있는 바실러스나 대장균과 같이 게놈의 크기나 유전자의 수가 마이코플라즈마와는 비교가 안 되는 종류들에서는 더더욱 힘든 일이다.

그래서 과학자들은 하향식 방법을 가장 현실적인 인공미생물 합성법으로 제시하고 있다. 우선 생명유지에 필요없는 게놈들을 제거해내가 최소한의 게놈을 남긴다. 이 상태에서 원하는 목적에 따라 다양한 유전자들을 끼워 넣는 식으로 새로운 미생물을 만들어간다는 것이다. 지난해 김선창 교수가 발표한 연구결과도 대장균에서 불필요한 게놈을 깎아내는 효과적인 방법을 개발한 것이었다.

게놈에서 어떤 부분을 잘라낼 때는 그 양끝에 게놈 절단 단백질에게 표지가 되는 DNA 조각을 삽입하면 된다. 이 표지 사이에 있는 게놈은 단백질에 의해 잘라져 나간다.

문제는 이렇게 하나하나 잘라내는 방식으로 최소 게놈을 만들자면 같은 실험을 무수히 반복해야한다는 것이다. 김 교수는 이 문제를 트랜스포존(transposon)에 표지DNA를 끼워 넣고 이것을 대장균 게놈에 집어넣는 방법으로 해결했다. 트랜스포존은 게놈 사이를 이곳저곳 이동해 다니는 DNA이기 때문에 1천군데 이상의 부위에 표지DNA가 끼어들어가게 된다.

김 교수는 서로 다른 항생제에 내성을 가진 표지DNA 삽입 균주 두 종류를 만들었다. 만약 특정 게놈 부위를 잘라내고자 하면 우선 그 한쪽 끝에 표지DNA가 붙어있는 한 대장균에 박테리오파지 바이러스를 감염시킨다. 이때 표지DNA가 들어있는 박테리아의 게놈 조각이 바이러스 게놈으로 들어간다. 다시 이 박테리오파지를 다른 표지DNA가 붙어있는 대장균에 감염시키면 처음의 대장균에서 받은 표지DNA가 붙은 게놈조각들이 두번째 대장균 게놈에 들어가 결국 원하는 부위의 양쪽에 표지DNA가 달라붙게 된다.

김 교수는 “항생제 두종류에 모두 살아남는 대장균을 골라내면 양쪽 균주에서 각각 표지DNA를 갖고 온 것을 골라낼 수 있다”며 “이런 식으로 1천군데 정도의 게놈 부위를 동시에 잘라낼 수 있다”고 설명했다.

그렇다고 상향식 인공생명체 합성에 대한 전망이 어두운 것만은 아니다. 벤터 박사가 만든 박테리오파지의 인공DNA는 상향식 역시 가능성을 갖고 있음을 증명한 것이다.

바이러스 유전자를 인공적으로 합성한 것은 벤터 박사가 처음은 아니다. 2002년 7월 미국 뉴욕 주립대의 에커드 위머 박사는 염기 하나하나를 합성하는 방법으로 DNA 조각들을 만든 다음 이를 다시 이어붙이는 방법으로 소아마비 바이러스 유전자를 합성했다고 ‘사이언스’에 발표해 충격을 준 바 있다. 위머 박사는 이미 밝혀져 있는 바이러스 게놈 정보를 토대로 약 7천5백여개에 이르는 소아마비 바이러스의 염기를 수십개 염기 단위로 나눠 인터넷을 통해 생명공학기업들에 주문한 뒤, 이를 우편으로 받아 3년에 걸쳐 일일이 이어 붙였다고 한다.

인터넷 구매로 만든 인공 DNA
 

그러나 벤터 박사가 DNA를 합성하는데 걸린 시간은 14일에 불과했다. 위머 박사는 이번 연구 성과를 접하고는 “지금 다시 바이러스 DNA를 합성한다면 나 역시 몇달밖에 걸리지 않을 것”이라면서도 “가능하다면 벤터 박사가 개발한 방법을 사용할 것”이라고 밝혔다. 과학계에서는 벤터 박사의 연구결과가 인공 생명체 탄생을 위한 중요한 기술적 진보를 이뤘다고 평가했다. 그만큼 벤터 박사가 사용한 DNA 합성 방법이 우수하다는 것.

벤터 박사는 인간게놈프로젝트에서 이미 명성을 얻은 바 있다. 다국적 공동연구팀은 전체 인간게놈을 순서대로 일일이 해독하는 방법을 이용했다. 그러나 벤터 박사는 ‘샷건’(shot gun)이라는 새로운 방법을 사용해 게놈해독 기간을 획기적으로 줄였다. 간단히 말하면 전체 게놈을 조각내 개별 조각들을 해독한 다음 다시 이어붙이는 방법이다.

사전을 예로 든다면 다국적팀은 첫장 A부터 Z의 마지막 단어까지 하나씩 해독했다고 볼 수 있다. 이에 비해 샷건 방식은 사전을 한장씩 찢어 각각을 동시에 해독하고 다시 이들을 모아 사전을 만드는 형태다. 우선 해독한 DNA 조각들은 중합효소연쇄반응(PCR)을 이용해 증폭시켰다. 이들을 한데 반응시켜 중복되는 부분끼리 결합시킴으로써 조각들이 전체 게놈에서 어느 부분에 해당되는지를 확인하는 식이었다.

이번에 박테리오파지 DNA를 합성한 것 역시 비슷한 방식을 이용했기 때문에 합성 기간을 획기적으로 줄일 수 있었다. 지난해 12월 2일 PNAS에 발표된 논문에 따르면 우선 알고 있는 염기서열에 따라 작은 DNA 조각들을 먼저 합성했다. 위머 박사가 한 것과 다른 점은 각각의 조각들에 서로 중복되는 부분이 있다는 것이다.

합성한 DNA 조각들은 이중나선으로 돼 있는데 여기에 열을 가하면 단일 가닥으로 풀어진다. 단일 가닥들은 서로 중복되는 부분끼리 결합해 이중나선을 이루게 된다. 끝부분이 결합되면 중간 중간 비어있는 부분이 생기는데 이는 DNA 중합효소가 들어가 새로 DNA를 합성해 채워 넣었다. 벤터 박사는 이 방법을 중합효소연쇄합성(PCA)라고 이름 붙였다.

에너지문제 해결할 클린 미생물
 

벤터 박사는 셀레라 지노믹스사를 설립, 인간게놈프로젝트를 독자적으로 수행했다. 이번에는 ‘생물에너지대안연구소’(IBEA)를 세워 바이러스 DNA를 합성해냈다. 그는 지난해 11월 자신의 연구성과를 발표하는 기자회견장에서 “자신이 만든 박테리오파지는 인체에 무해한 것이며 자신의 목적은 생물테러에 이용될 바이러스를 만드는 것이 아니라 에너지문제와 환경문제를 해결할 클린 미생물을 만드는 것”이라고 강조했다.

이를 위한 첫단계가 마이코플라즈마의 최소 게놈을 확보하는 일이다. 그 다음에는 이산화탄소를 제거하고 수소를 생산하는 미생물 유전자를 찾는 일이다. IBEA의 연구자들은 지금까지 거의 연구가 이뤄지지 않았던 수백종의 미생물들을 대상으로 유용 유전자를 탐색하는 작업을 시작했다. 서울대 생명과학부 천종식 교수는 “이 작업은 메타게놈 탐색으로 이뤄질 것”으로 전망했다.

자연계에 존재하는 미생물 가운데 인간이 배양가능한 종은 1% 정도로 추정되고 있다. 이 1%가 지금까지 인류가 의학과 산업에 이용해온 미생물들이다. 나머지 미생물은 실험실에서 배양이 불가능하기 때문에 기존의 연구방법은 아무런 소용이 없다.

대신 여러 미생물들의 게놈 전체, 즉 메타게놈을 통째로 들어낸 다음, 이를 조각내서 인공염색체에 집어넣어 연구를 하게 된다. 여기서 유용한 유전자가 발견된다면 미리 만들어둔 최소 게놈에 집어넣어 새로운 맞춤형 미생물을 탄생시킬 수가 있는 것이다.

그러나 인공생명체 탄생의 길은 아직 멀어 보인다. 박테리아의 게놈은 바이러스와는 비교가 안 될 정도로 크다. 벤터 박사는 약 30만개의 염기로 이뤄진 박테리아 게놈을 합성할 계획인데, 산술적으로만 봐도 지난해 합성한 박테리오파지 게놈 50개 이상이 모여야 하는 규모다. 설사 게놈을 합성했다 하더라도 이것이 세포 내에서 제대로 작동할지도 의문이다.

1978년 노벨 생리의학상을 수상한 해밀튼 스미스 박사는 벤터 박사와 함께 박테리오파지를 합성하는 동안 “70대인 자신과 60대인 허치슨 박사가 마치 갓 박사학위를 받은 연구원처럼 밤을 새며 일했다”고 말했다. 바이러스가 이럴진대 박테리아 게놈을 합성한다면 아마도 ‘수능시험을 보는 수험생과 같았다’는 말이 나오지 않을까.

한편에서는 자칫 인체에 해롭거나 생태계를 교란시킬 인공 생명체가 탄생할 수 있다는 비판도 제기되고 있다. 물론 과학자들은 인공미생물이 영양분이 충분히 공급되는 실험실 환경에서만 자랄 수 있는데다 유해한 유전자가 모두 제거됐기 때문에 안전할 것이라는 논리를 펴고 있다.

그러나 최근의 유전자변형 농산물 논쟁에서 보듯 인간이 거꾸로 돌린 진화의 수레바퀴가 잘못된 길로 접어들 가능성은 언제나 존재한다고 볼 수 있다. 인류가 생명을 창조하기 위해선 아직도 닷새가 더 필요한가 보다(미생물 창세기 1장1절).

메타게놈(metagenome)

토양과 해수, 갯벌, 하천, 대기, 가축의 대장 등 다양한 자연 환경으로부터 채취한 미생물의 DNA로, 종에 따라 분리돼 있지 않고 서로 혼재돼 섞여 있는 형태.