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미생물이야기 새로운 생명체 ‘제작’하는 합성생물학
2013-08-01 16:50:32
이엠생명과학연구원

 

새로운 생명체 ‘제작’하는 합성생물학

 

식량문제 해법… 안전성 검증 필요해

21세기 들어 탄생한 합성생물학이 미생물의 종(種)의 개념을 바꿔놓고 있다. 

오염물질의 냄새를 맡아 경보시스템을 작동시키는 박테리아, 사진 필름처럼 움직이는 세균막, 자랄 때에는 민트향을 내다가 죽으면 바나나 향을 내는 세균, 항암물질인 ‘레스베라트롤(Resveratrol)’이 함유된 맥주 발효 효모 등은 원래는 자연계에 존재하지 않는 미생물들이다.

 

지난 2003년 미국 MIT 공대에서 처음 열린 합성생물학 대회 ‘iGEM(international Genetically Engineered Machine competition)’에 참가한 학생들이 이 새롭고도 기발한 미생물들의 첫 선을 보였다.

이 학생들이 연구하는 분야는 아직 전 세계적으로 미개척 단계인 ‘합성생물학(Synthetic Biology)’. 21세기 들어 합성생물학은 학제간 융합의 힘을 빌어 새로운 미생물 탄생의 교두보가 되고 있다.

우리나라에서도 지난 2005년부터 이 분야에 대해 활발한 연구가 진행되고 있는 가운데 지난 15일 울산과학기술대 나노생명화학공학부 이성국 교수는 ‘합성생물학을 통한 균주 개발과 바이오안전성 문제’란 주제의 생명공학 연구보고서를 통해 합성생물학의 정체, 새로운 미생물의 탄생의 의미, 이에 따른 바이오 안전성과 윤리적인 문제에 대해 밝혔다.

이 교수는 먼저 합성생물학에 대해 “과거에는 생명현상에 대한 탐구는 주로 무엇이며, 어디서 왔는지에 대해 초점이 맞춰져 있었다면, 현재는 유전자간의 상호관계를 파악해 어떻게 하면 우리 인류에게 유용한 합성생물을 만들어낼 수 있을지에 연구자들의 관심이 쏠려 있다”고 밝혔다.

보고서에 따르면 합성생물학이란? 자연과학적이면서 특히 생물학적인 이해를 바탕으로 공학적인 개념이 도입된 학문. 기존 생명체를 모방 하거나 자연에 존재하지 않는 인공생명체를 제작·합성하는 분야라고 할 수 있다.

즉, 반도체 소자의 조립을 통해서 수많은 유용한 전자제품을 생산하듯, 표준화된 생물학적 부품의 조합을 통해서 새로운 고성능, 고효율 생물학적 생명시스템이나 생명체를 만드는 학문이 바로 합성생물학이다.

합성생물학의 핵심은 유전공학 

합성생물학은 이미 1970년대 후반에 유전공학의 태동과 함께 학계에 알려졌다. 1978년에 ‘스지발스키(Szybalski)’와 ‘스칼카(Skalka)’는 합성된 DNA 분자를 기존의 유전자 배열 속에 끼워 넣으며, 새로운 기능성을 발휘하는 ‘합성생물학(synthetic biology) 시대를 예고했다.

그리고 21세기 들어서 유전공학의 급속한 발전과 더불어 새로운 유전자 조절 시스템이 탄생했고, 세포작용을 더 폭넓게 조절하는 합성생물학은 생명공학 분야의 새로운 학문으로 자리 잡았다.

현재 여러 분야에서 합성 생물학 기술이 적용되고 있는 가운데 이 중 가장 빠르게 발전하고 있는 분야가 바로 유전적 회로(genetic circuit), 대사 공학(metabolic engineering), 신호 전달(signal transduction) 등이다.

합성생물학중 유전 공학은 유전자 네트워크를 단순화된 수학적 모델로 디자인하고, 분자생물학적인 도구를 활용, 적당한 생명체를 숙주로 실행시킨다. 수학적이고, 비추상적인, 실험적으로 증명 가능한 틀을 기본으로 복잡한 유전자 조절 시스템을 단순화시키고, 재조합 DNA 기반 생명공학기술을 통해 새로운 미생물을 조립한다. 

이를 위해 합성생물학은 분자생물학으로의 이론적 접근과 더불어 기계, 전기, 전자 및 컴퓨터 프로그래밍 등의 논리적 사고를 위한 학문이 필요한데 최근 들어 학제간 융합 현상으로 더욱 탄력을 받고 있다.

이 교수는 보고서에서 "자연계에 없는 것을 새로 만들려면 공학적 접근을 통해 시스템을 제작하는데, 이 때 복잡한 생물 시스템의 주요 개념을 단순화 시키는 작업이 필요하다"고 밝혔다. 또 MIT 생명공학과의 ‘드류 엔디(Drew Endy)’ 교수의 말을 인용, “모듈화(Decoupling), 표준화(Standardization), 추상화(Abstracion) 등을 통해 복잡성을 최소화해야 한다”고 설명했다.

일례로, 지난 2007년 9월 하버드 의대 연구자들은 이런 유전공학 기술을 통해 성공적으로 효모세포에서 DNA를 기초로 한 기억 회로(memory loop)를 합성, 학술지 ‘Genes and Development’ 9월 15일자 온라인 판에 발표하기도 했다.

새로운 미생물의 바이오안전성은?

21세기 생명과학은 인류에 장밋빛 청사진을 제시했다. 유전자 치료, 줄기세포 연구, 생명 연장, 인공장기, 뇌와 컴퓨터의 인터페이스, 클로닝 등이 바로 그것.

하지만 이제 태동 단계인 합성생물학의 미래는 아직 아무도 예측할 수 없다.

이 교수는 보고서에서 “합성생물학이 현재로서는 어떤 것이 가장 유용한지 확실치 않은 미성숙 단계지만 꾸준한 연구개발을 통해 성숙기로 접어들게 된다면 기존 생명시스템 으로는 해결하기 힘든 환경보건문제, 식량문제 및 에너지문제 등을 해결할 수 있는 미래 학문으로 평가될 수 있을 것”이라고 설명했다.

일례로, 합성생물학을 통해 화석연료통 대신 연료를 생산하는 미생물이 담긴 통을 장착한 자동차의 생산, 유조선의 퇴장, 덩달아 지구온난화 문제 등의 해결도 생각해볼 수 있다는 것.

아울러 현재의 생명공학은 생명 복제의 어두운 모습, 유전자 조작 식품의 위험성 등 생태계 질서의 파괴와 혼란의 이면을 갖고 있기도 하다. 따라서 합성생물학에 의한 새로운 미생물의 탄생은 인류의 미래에 빛과 그림자를 동시에 비추고 있다.

이 교수는 “아직 안전성이 완전히 검증되지 않은 합성생물학에 안전장치도 필요하다는 것이 과학계의 의견이라고 설명했다.

또 “아직은 국가 차원의 합성생물학 연구관련 규제 법률이 미비한 것이 사실이지만, 다행히 합성생물학의 잠재적 위험요소를 알고 있는 일부 과학자들이 자율규제(selfregulation)를 강조하고 있다”며 “그 대표적 예로 유전자 합성과정에서 유전자뿐만 아니라 합성의뢰자들에 대한 리스트를 만들어 관리하고 있다"고 밝혔다.

마지막으로 무엇보다 합성생물학의 올바른 정착을 위해선 적절한 교육 프로그램을 통해 합성생물을 이용코자 하는 사람들이 자체적으로 위험성을 줄이는 노력이 필요하다고 강조했다.

조행만 기자 | chohang2@empal.comcccc




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