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유전공학
유전공학(遺傳工學, Genetic Engineering)은 유전자를 조작하는 학문으로, 생명공학의 하위 개념이다. 기본적으로 인간에게 이득을 주는 새로운 부산물을 얻어내기 위해 생물을 변형시키는 것이 주 목적이다.
20세기 이후에 급속히 발달한 분야이고 생물을 인위적으로 조작한다는 특성상 도덕 및 종교 논쟁이 매우 활발하다. 대표적인 예가 인간 복제나 유전자 조작 식품(GMO).
유전공학이란 개념이 없었을 뿐이지 선사시대 때 부터 인류는 이미 인위적으로 생물을 변형시켜 왔다. 농작물이나 각종 가축들을 교배, 접목 등을 통해서 육종하여 야생 상태에 비해 인간에게 이로운 형태로 종을 바꾸거나 각종 미생물들을 이용해서 발효 식품을 제조하고 이를 개량하는 것 또한 유전자 조작이라 할 수 있다.
그러나 현대적인 좁은 의미로는 '세포융합', '세포배양', 'DNA 조작', '체외수정' '유전자 치료' 등의 기술을 사용하여 원하는 결과를 얻고자 하는 것을 말한다. 특히 1953년 미국의 제임스 왓슨과 영국의 프랜시스 크릭에 의해 DNA의 구조가 밝혀진 이후 유전물질로 DNA로 확정되었고 그 DNA를 인간이 조작할 수 있는 유전자 가위(Restriction enzyme 제한효소, 가위), PCR(증폭), DNA 연결효소(DNA ligase, 접착제), 생물체 삽입 등의 기술이 개발됨에 따라서 폭발적으로 성장하게 되었다.
목차
개요[편집]
유전공학은 한 생물체의 특성(표현형, phenotype)을 변화시키기 위하여 특정 기술을 사용하여 DNA (또는 유전자)를 직접 조작하는 것을 의미한다. 생물체의 유전적 변형을 유도하기 위해 적용되는 기술로는 핵치환기술(nuclear transfer technology)과 세포융합기술(cell fusion technology) 및 재조합 DNA 기술(recombinant DNA technology) 등이 있는데, 그 중에서도 재조합 DNA 기술이 유전공학의 가장 근간이 되는 기술이라 할 수 있다.
유전공학은 기본적으로 유전자재조합기술에 기초한다. 유전자재조합기술은 한 생물의 유전자를 다른 생물에 집어넣어 유익한 새로운 품종을 만드는 기술이다. 이를 위해서는 원하는 유전자를 잘라내고 붙일 수 있는 기술과 그런 유전자를 생물체 속으로 운반해줄 수 있는 운반체가 필요하다.
과학자들은 바이러스와 박테리아가 자연 속에서 이미 그런 일을 하고 있다는 사실을 알아내고 연구를 통해 인공적으로 그 일을 해낼 수 있는 방법을 찾았다. 유전자를 잘라내고 붙일 수 있는 기술은 일종의 가위와 풀로 생각해볼 수 있는데 전자는 '제한효소', 후자는 'DNA 연결효소'를 발견함으로써 가능해졌다. 제한효소를 발견한 공로로 아르버(Werner Arber)와 스미스(Hamilton Smith), 네이선스(Daniel Nathans)는 1978년에 노벨 생리학상을 공동 수상했다.
운반체를 최초로 만든 것은 코헨과 보이어였다. 그들은 아프리카 두꺼비에서 유전자를 분리해낸 다음, 대장균의 원형 플라스미드 일부를 절단해내고 두꺼비 유전자를 대신 끼워 넣는데 성공했다. 이는 두꺼비 유전자를 인간의 인슐린 유전자로 바꾼다면 세균을 이용한 인슐린의 대량생산이 가능해졌음을 의미하는 것으로, 유전공학 학계에 엄청난 반향을 불러일으켰다.
21세기 들어 유전공학의 발전 속도는 매우 빠르며, 특히 식품·환경·의료 등에서 관련 기술 개발이 활발하게 이루어지고 있다. 먼저 유전공학을 식물에 적용한 대표적인 것으로 유전자재조합식품(GMO)을 들 수 있다. 현재, 식량증산을 목적으로 콩·옥수수·목화·캐놀라 등에 관련 기술이 적용되고 있으며, 앞으로는 황금쌀(비타민 A가 추가된 쌀)과 같은 기능성 작물 개발에 힘쓸 것으로 예상된다.
동물에 적용한 대표적 경우로는 형질전환동물을 들 수 있는데, 이는 인간의 유전자를 주입하여 인간에게 필요한 기능을 갖추도록 변형된 동물이다. 현재 이종 장기이식, 약물 생산, 실험용 동물(면역력을 제거한 넉아웃 쥐) 등이 시도되고 있다. 인간을 대상으로 한 것으로는 유전자치료, 맞춤아기(designed baby), 줄기세포 치료 등이 연구되고 있다.
연원 및 변천[편집]
유전공학기술의 발달은 현대생명과학 특히 분자생물학(molecular biology) 분야의 발전과 그 궤를 함께 한다.
자식이 부모를 닮는 이유를 궁금해했던 것처럼 유전에 대한 관심은 오래된 것이지만 유전학의 기원은 멘델(G. Mendel)에서 비롯되었다고 할 수 있다. 1930년대 후반부터 분자생물학에 대한 관심이 커졌는데, 구조와 기능의 측면에서 유전자에 대한 이해 수준이 획기적으로 높아진 것은 1953년에 왓슨(James Watson)과 크릭(Francis Crick)이 DNA의 이중나선구조를 밝혀내면서 시작되었다.유전물질의 복제 및 유전자 발현 양상 등에 기초한 생명(현상)의 이해에 획기적인 전기를 마련한 분자생물학의 발전이 이루어졌고, 이러한 분자생물학적 지식의 확장과 연구기법의 발전은 유전공학을 포함하는 생물공학기술 발전의 근간이 되고 있다.
관심 유전자의 분리, (시험관 내) 조작 그리고 다른 생물체로의 도입으로 요약되는 유전공학의 요체인 재조합 DNA 기술은 일찍이 작은 구형의 DNA 분자인 플라스미드(plasmid)를 대장균에 도입하는 방법을 개발한 스탠포드대학교의 코헨(Cohen) 교수와 DNA상의 특정 염기서열을 인식하여 자를 수 있는 효소(제한효소, restriction enzyme) 연구를 수행 중이던 캘리포니아대학교의 보이어(Boyer) 교수가 1973년 제한효소를 사용하여 플라스미드에 특정 DNA 조각을 삽입하여 재조합 플라스미드를 만들고, 이 재조합 플라스미드를 대장균에 도입할 수 있겠다는 개념을 확립함으로써 비롯되었다.
1975에는 쾰러(Köhler.)와 밀스타인(Milstein)이 세포융합기술인 하이브리도마(hybridoma) 기법을 활용한 단클론항체(monoclonal antibody) 생산기법을 확립하였으며, 1981년 단클론항체를 이용한 진단키트가 미국에서 최초로 시판되었다. 1976년에는 DNA염기서열 결정법이 개발되었고, 1978년 Genetech사가 재조합 DNA 기술을 상업적 제품생산에 최초로 적용하여 대장균에서 당뇨병 치료제인 사람 인슐린을 생산하는데 성공하였으며, DNA합성용 자동화기기가 1981년 상용화되었다.
그 외에도 1982년 재조합 DNA 기술을 이용한 동물용 백신이 유럽에서 최초로 사용되기 시작하였으며, 1983년에는 Ti-플라스미드를 이용한 식물세포 형질전환법이 확립되었고, 1988년에는 암에 민감한 유전자조작 생쥐가 미국특허를 취득하였다. 또한 1988년에는 시험관 내에서 연구자가 원하는 DNA 절편(또는 유전자)를 증폭할 수 있는 기술인 중합효소연쇄반응(polymerase chain reaction; PCR)법이 발표되었으며, 사람의 체세포 유전자치료법(somatic cell gene therapy)이 미국에서 최초로 승인되기도 하였다.
이 같은 유전자 재조합 기술과 분자생물학 연구기법의 발전에 힘입어 1980년대 이후 성장호르몬(growth hormone), 적혈구 성장인자(EPO, erythropoietin) 등 많은 재조합 바이오의약품이 개발을 필두로 의약, 식품, 농업 분야뿐만 아니라 환경, 에너지, 해양 등의 영역에서도 생명공학기술을 적용한 새로운 개념의 제품 및 기술이 등장하였고, 1990년 인간유전체 프로젝트(human genome project)의 시작으로 21세기 유전체(genomics)를 위시한 오믹스(omics)의 시대가 태동하게 되었고, 현재의 유전공학은 합성생물학(synthetic biology)으로 통합되어 발전하고 있다.
- 한국
한국에 유전공학이 실질적으로 도입된 해는 1982년으로 보아야 한다. 그 해 정부는 유전공학을 과학기술처의 특정연구개발사업 분야에 포함시켰으며, 산업계에서는 국내 14개 회사가 모여 한국유전공학연구조합을 설립하여 학계와 함께 특정연구개발사업의 진행을 시작하였다. 한편, 학계에서도 이 분야의 학자들이 모여 한국유전공학학술협의회를 창립하고 그 활동을 시작하였다.
정부는 1983년 12월 「유전공학육성법」을, 1984년 9월 「유전공학육성법시행령」을 제정·공포함으로써 유전공학 발전의 법적 토대를 닦아 놓았다. 이 「유전공학육성법」에 의거하여 1985년 2월에 한국과학기술원 부설 유전공학센터가 설립되었으며, 이 센터는 생물공학 전 분야의 연구개발 및 지원 업무를 수행하는 전문연구소 기능을 담당하였다.
최근 들어 전 세계적으로 인간의 유전자를 동물에게 주입해서 이식용 장기나 고가의 치료제를 개발하기 위한 연구가 본격화되고 있는데, 우리나라에서도 세계적 흐름과 어깨를 나란히 하고 있다. 또 사람을 직접 대상으로 한 유전자 치료가 시도되고 있으며, 세포 차원의 치료를 통해 무병장수의 꿈을 이루려는 줄기세포 연구도 활발하게 이루어지고 있다.
유전자재조합기술 원리[편집]
우선 유전공학이란 무엇을 말하는지 조금 자세히 살펴보면, 1) 유전체(DNA) 상의 A-T 또는 G-C 염기 쌍을 변화시키는 것, 2) DNA상의 일정 부위를 삭제(deletion)하는 것, 또는 3) 특정 유전자를 하나 더 복제하여 도입시키는 것 등이 있다. 또 다른 의미로는 한 생물체의 유전체에서 DNA를 추출하여 다른 개체의 DNA에 결합시키는 것이기도 하다. 유전공학은 종국적으로 개별 생물체의 특성을 증진 또는 변형시키는 것을 목적으로 사용되는 기법으로 바이러스로부터 대형동물에 이르기까지 적용될 수 있는데, 예를 들면, 높은 영양가를 갖거나 제초제에 내성을 갖는 작물류 생산에 이용될 수 있다.
앞서 언급하였 듯이 세포융합이나 핵치환(또는 핵전이)법도 종국적으로 한 생물체 내의 유전체(및 DNA)에 변형을 초래하는 기법이므로 광의의 유전공학기법에 속한다고 볼 수 있으나(실제 1983년 제정된 '유전공학육성법' 등에도 유전공학분야로 지정되어 있음), 현재의 분자생물학기반 기술수준에 비추어 볼 때, 재조합 DNA 기술이 현대적 의미의 유전공학기술의 요체라 할 수 있으므로 여기서는 재조합 DNA 기술을 살펴보기로 한다.
재조합 DNA 기술 개발이 가능하게 한 요소로 제한효소와 플라스미드, 그리고 라이게이즈(ligase)를 들 수 있다. 제한효소는 1960년대 세균에서 최초로 발견된 DNA 절단효소로 인식서열(recognition sequence) 또는 제한부위(restriction site)라 불리는 DNA상의 특정염기서열을 인식하여 선상으로 결합되어 있는 염기 사이의 phosphodiester 결합을 끊어내는 효소이다. 최초로 특성이 분석된 제한효소는 Haemophillus influenzae에서 유래된 HindIII이며, 최초로 분리/정제 된 것은 대장균(Escherichia coli)의 EcoRI이다. 인식부위를 구성하는 염기서열은 주로 4개 또는 6개를 구성되며 ‘madam’처럼 앞에서 읽으나 뒤에서 읽으나 동일한 단어인 회문(panlindrome) 구조를 갖고 있다.즉, EcoRI의 인식서열은 5’-GAATTC-3’인데 이중가닥인 DNA의 상보적인 가닥의 염기서열 또한 3’-CTTAAG-5’로 5’에서 3’으로 읽으면 상보적인 두 가닥의 염기서열이 동일하다. 또한 제한효소가 작용하여 잘린 이중가닥 DNA의 말단부는 제한효소의 종류에 따라 점착 말단(cohesive end)이나 평활 말단(blunt end)으로 만들어진다. 한편, 대장균 등의 원핵생물(prokaryote)은 자신의 DNA가 자신이 만든 제한효소에 의해 잘리는 것을 방지하기 위하여, 제한효소와 짝을 이루는 변형효소가 해당 인식서열의 아데닌(adenine)이나 사이토신(cytosine)에 메틸기(-CH3)를 첨가함으로써 DNA가 절단되지 않도록 보호한다.
두 번째 요소는 주로 세균 등에서 흔히 발견되는 작은 크기의 이중가닥 구형 DNA인 플라스미드로 세포 내에서 염색체와는 독립적으로 존재하며 복제되고, 타 개체로 전이가 가능한 특성을 갖는데, 외부에서 도입된 DNA조각을 받아들여 지속적으로 유지, 증식시키는 특성이 있어서, 외래 DNA (또는 유전자)를 세균 세포 등으로 도입시키는 전달체인 벡터(vector)로 사용할 수 있다. 따라서, 동일한 제한효소를 각각 처리하여 분리한 DNA조각(유전자)과 플라스미드를 섞어준 후, 라이게이즈를 처리하여 DNA조각이 플라스미드와 한 분자로 결합되게 하면, 소위 말하는 재조합(recombinant) 플라스미드(또는 DNA)가 생성되며, 이를 대장균 등의 숙주에 도입시키는 형질전환(transformation) 과정을 거치면, 외래 DNA (유전자)를 갖는 형질전환 대장균(또는 형질전환체)가 제작된다.
대장균에 재조합 플라스미드를 도입하는 형질전환과정은 '염화칼슘 및 열처리법'과 '전기천공법(electroporation)'있다. ‘염화칼슘 및 열처리법’은 특별한 장치가 필요 없는 방법으로 대장균을 차가운 염화칼슘용액으로 먼저 처리하면 외래 DNA가 잘 결합하게 되고, 이 대장균을 재조합 플라스미드와 혼합한 현탁액을 얼음물에 일정시간 두었다가 약하게 열처리(42℃, 1분)하면, 외래 DNA를 세포 내로 잘 받아들일 수 있는 세포(competent cell)로 변환된 대장균 내부로 재조합 DNA가 용이하게 들어간다. 전기천공법은 고압(세균의 경우 2.5 KV 정도)의 전기를 아주 짧은 시간(µSec) 발생시킬 수 있는 기계장치를 이용하는 것으로, 고압의 전기충격을 아주 짧게 가하는 동안에 원형질막의 순간적인 붕괴가 일어나면서 외래 DNA의입이 촉진되는데, 염화칼슘법에 비하여 형질전환율이 높은 장점이 있다.
형질전환 반응은 일반적으로 효율이 낮은 과정이므로, 형질전환반응 후에는 재조합 DNA가 도입된 형질전환체를 효과적으로 선별할 수 있는 단계(또는 방안)가 필요한데, 이러한 이유로 재조합 DNA 제조에 이용되는 벡터용 플라스미드는 일반적으로 항생제 내성 유전자 또는 발색단을 갖는 기질을 분해하는 효소유전자(예: X-gal을 분해하는 베타-갈락토시데이즈 유전자인 LacZ 유전자) 등 다양한 종류의 선별표지(유전자) (selective marker gene)을 갖고 있다.
유전 공학의 사례[편집]
키메라 생물[편집]
그리스 신화에 보면 '키마이라(키메라)'라는 괴물이 나온다. 머리는 사자요, 몸은 양이요, 꼬리는 뱀[3]인 괴물인데, 여기서 이름을 따서 이종간 유전자 조합 생물을 '키메라 생물'이라고 부른다. 유전적으로 다른 세포가 같은 개체 안에 존재하면 키메라라고 부르는데, 이건 자연적으로도 존재한다. 인공적으로 만든 최초의 키메라 생물은 1973년에 S. Cohen와 H. Boyer가 만든 박테리아 플라스미드.
인터페론 양산[편집]
1980년에 최초로 인터페론을 부호화시킨 인간 유전자를 박테리아 속에 집어넣는 데 성공했다. 인터페론은 척추동물에서 생기는 신호단백질의 일종으로 병원체가 침공했을 때 면역세포에서 만들어서 대응하는 단백질. 바이러스 증식도 막는다. 인터페론은 순수 분리하는 게 꽤나 어려운 물질이라서 현대 의학은 인터페론 대량 생산을 매우 중히 여긴다.
인슐린 양산[편집]
1978년 미국의 일라이 릴리사에서 유전자공학의 기술로 성공하였다. 1형 당뇨병 환자에게 사용하는 약품인 인슐린은 이전에는 소나 돼지의 췌장에서 추출하여 의약품으로 사용하였으나 비싸고 사람의 인슐린과는 약간 차이가 있었다. 후에 사람 췌장의 베타세포 유전자에서 해당 DNA를 추출하여 대장균에 집어넣어 발현시켜 양산의 길이 열렸다. 이후 성장호르몬과 함께 대표적인 유전공학에 의해 생산된 의약품으로 거론된다. 현재는 줄기세포를 베타세포로 분화시켜 사람에게 이식하여 치료하고자 하는 시도도 있다.
유전공학기술의 이용[편집]
유전공학 기술의 발달은 장기간에 걸친 교배나 돌연변이 유발에 기반한 전통적 의미의 생물공학(biotechnology)을 가히 혁명적 수준으로 발전시켜 생명과학 연구 뿐 아니라 의학 및 농학분야에 새로운 돌파구를 열었다. 이중에서도 가장 경이로운 발전은 다양한 불치병을 치료할 수 있는 치료제 개발과 유전자치료(gene therapy)의 시대를 연 것이라 할 수 있으며, 그 외에도 건강한 식품, 안전한 살충제, 혁신적인 환경정화기술 및 신에너지원 개발이 가능하게 하는 등 상상을 초월하는 범위로 확장되어 인류생활에 지대한 영향을 미치고 있다. 유전공학기술이 적용된 생명공학 분야는 다음과 같다.
- 1) 미생물생명공학
효모(yeast)나 사상성진균(또는 사상균, filamentous fungi) 또는 세균(bacteria)를 조작하여 촉매능이 뛰어난 효소를 생산하거나, 산업폐기물 제거를 위한 폐기물(또는 오염물질) 제거공정을 개발하는 것과 사람질병 치료제용 단백질을 대량 생산하는 것
- 2) 농업생명공학
병충해에 내성을 갖는 유전자조작 식물체 생산, 단백질이나 비타민 함량이 높은 식물체 제작, 식물체로부터 의약용 단백질이나 재조합 단백질 생산 등이 있으며, 최근에는 에너지 위기를 해결하기 위한 생물연료(biofuel) 생산 등이 진행되고 있다.
- 3) 동물생명공학
형질전환(transgenic) 동물을 이용하여 항체나 의약용 재조합 단백질을 생산 하는 것, 기초 연구용 유전자파괴(적중) 동물의 제조, 이식장기생산용 형질전환 동물(장기이식용 미니돼지) 제작 등이 있으며, 최근에는 반려동물인 개, 고양이 등의 복제에 이용되기도 한다
- 4) 수사생명공학
미국에서 1987년 최초로 법정증거로 채택된 DNA지문법이 대표적인 분야로, 범죄피의자 검색이나, 친자확인, 신원확인, 멸종위기 동물 사체의 개체인식(또는 출처확인), 전염병 전파경로 추적 및 농축산물의 원산지 확인(예: 쇠고기 이력제) 등에 이용되고 있다.
- 5) 생물(환경)복구
환경오염의 원인이 되는 천연 또는 합성물질 분해 및 제거에 생명공학기법을 이용하는 분야로 원유오염 제거에도 적용된 석유분해 세균을 이용하여 해양오염원인 원유를 제거하는 것이 대표적이다.
- 6) 해양생명공학
어패류의 양식, 병충해 내성이나 내한성 양식어종의 개발, 해양생물로부터 항암제용 신물질의 생산 등이 이에 속한다.
- 7) 의료생명공학
최근 들어 사회·경제적으로 가장 관심을 많이 모으고 있는 분야로, 예방의학, 질병의 진단 및 치료와 관련된 분야나 인간유전체 연구결과를 바탕으로 한 유전자치료, 그리고 윤리적 논쟁거리의 하나인 줄기세포 제조 및 이용 기술분야가 이에 속한다.
동영상[편집]
참고자료[편집]
- 〈유전공학〉, 《나무위키》
- 〈유전공학(遺傳工學)〉, 《한국민족문화대백과사전》
- 〈유전 공학〉, 《미생물학백과》
같이 보기[편집]
