■ 열린연단 〈오늘의 세계〉 제35강_ 노정혜 서울대 명예교수의 「생명과학의 현재와 미래」

 

네이버문화재단의 <열린연단: 문화의 안과 밖> 열 번째 시리즈 ‘오늘의 세계’ 강연이 매주 토요일 네이버 스퀘어 종로에서 진행되고 있다. 여섯 섹션 총 54강으로 구성된 이번 시리즈는 인류 공동체에서부터 개인의 실존에 이르기까지 지금 여기의 어젠다를 새로운 시선으로 담론의 장을 펼친다. 오늘날 과학과 기술의 영역에서 관찰되는 새로운 흐름을 정리해 보는 다섯 번째 섹션 ‘오늘의 과학 기술’ 제35강 노정혜 명예교수(서울대 생명과학부)의 강연을 발췌 소개한다.

정리   고현석 기자
사진·자료제공 = 네이버문화재단

생명과학의 현재와 미래

노정혜 교수는 “지난 70여 년간 눈부시게 발전한 생명과학을 통해 우리가 알아낸 우리의 과거, 즉 지구상 최초의 생명체와 그로부터 파생된 다양한 생물 체계를 소개하고, 그 과정에서 얻게 된 지식과 도구들을 활용하여 인간이 스스로를 이해하고” 바꾸어온 이야기를 정리한다. 요컨대 “생물학적으로 보는 지구 생명체의 공통 특징”, “생명체의 출현과 다양화” 그리고 “모든 생물의 계통도”를 살펴보고 “가장 오래된 공통 조상 LUCA(the Last Universal Common Ancestor)”가 어떤 존재인지, “공생의 역사”와 함께 “생물 종 사이의 공생”은 어떻게 이루어져왔는지 스케치한다. 이어서 “각종 유전공학 도구를 활용하여 인간이 스스로의 생로병사 과정에 개입하는 여러 방법들”이 “봇물 터지듯 개발”되고 있는 21세기를 맞아 유전자 재조합, 유전 정보 읽기, 오믹스(omics), 유전체 편집, 노화에 대한 도전 등의 이슈와 연관해 “이제 인류는 어떻게 변할 것인가, 여기에 어떻게 대응할 것인가”를 함께 생각해본다. 

 

생물학적으로 보는 지구 생명체의 공통 특징

생물학적으로 생명체(유기체)와 비생명체를 구분할 때 참고하는 생명체의 조건은 ‘첫째, 생명체는 증식을 하여 자손을 낳고 자손에게 자신의 유전자를 전달하는 능력을 갖고 있다(reproduction). 둘째, 물질과 에너지를 섭취하여 다른 형태의 물질과 에너지로 바꿀 수 있는 대사(metabolism) 능력이 있다. 셋째, 외부의 환경 변화에 대하여 반응(response)을 할 수 있다. 넷째, 세대를 거치며 진화(evolution)한다.’이다.

생명체의 출현과 다양화

최초의 생명체는 아마도 지구가 형성되고 2-3억 년 후, 안정된 수권(hydrosphere)이 형성된 시점인 43억 년 전부터 최초의 박테리아 화석이 발견되는 36억 년 전 사이의 기간에 출현했을 것이라 여겨진다. 

지구상의 생명체가 하나의 조상으로부터 유래했다고 생각하는 가장 확실한 이유는 지구상의 모든 생명체들이 DNA상에 동일한 유전 암호(genetic code)를 사용하여 정보를 저장하고 있고, 유전 정보가 발현(expression)되는 과정에서 전사(transcription)와 번역(translation)을 거치며, 그 과정에서 거의 동일한 발현 기구들(RNA 중합효소와 리보좀)을 사용하기 때문이다. 최초의 생명체가 유전자를 복제하여 자손 세포들을 증식시키고, 이들 집단 내에 유전자 돌연변이들이 축적되면서 점차 다른 형질을 가진 세포들이 출현하게 되었다. 이 과정이 생명체의 진화, 곧 다양화를 가능케 한다.

뿌리와 계통(Phylogeny)

두 생물체 사이의 연관성(relatedness)을 정량적으로 보려면 유전자의 염기서열을 비교하는 것이 가장 확실한 방법이다. 이들이 공통적으로 가지고 있는 유전자들의 염기서열을 서로 맞춰보아 상동성(相同性, homology)을 숫자로 계산한 후, 가깝고 먼 정도를 나뭇가지의 형태로 형상화할 수 있다. 이렇게 그려진 형상을 계통수(系統樹, phylogenetic tree)라고 부른다.

 

모든 생물의 계통도와 가장 오래된 공통 조상 LUCA

지구상 모든 생명체 그룹들 사이의 연관성을 제일 먼저 계통수로 따져본 사람은 미국의 미생물학자 칼 우즈(Carl Woese, 1928-2012)였다. 1977년 그는 이미 알려져 있던 원핵생물(原核生物, Prokaryotes)인 세균(細菌, Bacteria) 도메인과 동물, 식물, 균류 등이 속한 진핵생물(眞核生物, Eukaryotes) 도메인 외에 원핵생물이면서 세균과 분명하게 다른 고균(古菌, Archaea) 도메인이 별도로 존재한다는 것을 보고했다. 이어서 1990년 세 개의 도메인으로 구성된 생명의 계통도(Tree of Life)를 제시했다. 이 계통수의 뿌리, 즉 세균과 고균의 가지가 만나는 지점에 모든 생명체의 조상에 해당하는 LUCA(the Last Universal Common Ancestor)가 자리 잡고 있다.

최초의 생명체 LUCA는 어떤 존재일까?

모든 생명체의 조상에 해당하는 최초의 세포 LUCA는 어떤 특징을 가지고 있었을까? 현존하는 세균과 고균들의 유전자 분석을 통해 유추된 LUCA는 산소가 없이 호흡할 수 있고(즉, 에너지를 만들어내고), 수소를 사용하며, 이산화탄소로 유기물을 만들어낼 수 있고, 질소로부터 아미노산을 만들 수 있어 무기물만으로도 살아갈 수 있는 독립 영양체라는 사실이다. 또한 고열을 견딜 수 있는 유전자를 가지고 있다. 따라서 최초의 생명체는 해저의 열수구 부근에서 태어났을 것이란 추측을 뒷받침한다. LUCA의 특성은 생명이 출현할 수 있는 외계 행성을 찾는 우주 생물학 분야에도 좋은 가이드가 될 수 있다.

다양화: 공생의 역사

핵이 없는 원핵생물 단세포로 시작한 생명체들이 진핵세포를 만들어내고, 다세포생물이 되면서 발생과 분화가 가능한 식물과 동물들이 생겨나는 다양화의 과정은 유전자의 돌연변이가 초래한 변이와 세포들의 공생 관계가 빚어낸 역사이다.

최근에는 세균을 품어서 진핵세포를 출현시킨 모체가 바로 고균이라는 것이 알려지게 되었다. 고균 중에 어떤 종류의 고균이 진핵세포의 조상인지를 계통유전학적 분석을 통해 찾아낸 결과, 심해저 열수구에 사는 아스가드 계열의 고균임을 알게 되었다. 일본 해양과학기술연구소의 연구진이 오랜 기간의 노력 끝에 실험실에서 이 아스가드 고균을 배양해내는 데 성공했다. 따라서 세균과 고균이 어떻게 합작을 하여 진핵생물을 탄생시켰는지에 대한 실마리가 풀리게 되었다.

 

생물 종 사이의 공생

생물 종 사이의 공생 관계는 개미와 진딧물, 꽃과 꿀벌 등 대중에게 잘 알려진 예들 외에도 다양한 종류가 있다. 거의 모든 생물체가 주변의 다른 생물체들과 관계를 맺고 살아가지만, 유전체 분석 기법이 대중화되면서, 동식물과 함께 살아가는 다양한 미생물들이 밝혀지게 되었다. 인간의 몸에도 미생물균총(microbiota) 또는 마이크로비옴(microbiome)으로 알려진 미생물들이 소화기와 호흡기, 피부와 생식기 등에 서식하며, 여러 생리적 기능을 수행한다. 따라서 인간을 단일 종이라기보다는 여러 생물들로 이루어진 복합 종으로 보아야 한다는 견해가 설득력을 얻고 있다.

유전자 재조합과 편집 도구

눈에 보이지 않는 작은 생물들은 생명체의 기원과 다양화에 대한 지식뿐 아니라 생명체의 유전자를 재조합하고 편집하는 각종 유전공학 도구들을 우리에게 제공했다. 유전공학 시대를 열었다고 평가할 수 있는 유전자 재조합 기술은 DNA의 특정 염기서열을 자를 수 있는 제한 효소(restriction enzyme)와 잘려진 DNA 조각을 연결해서(재조합해서) 다른 세포로 실어나를 수 있는 운반체(vector)의 활용이 기폭제가 되었다. 

최근 각광받는 유전자 편집 도구 크리스피알(CRISPR) 시스템은 세균에서 발견된 일종의 면역 시스템이다. 여러 종류의 세균은 과거 자신의 세포 내로 침투했던 바이러스나 플라스미드의 유전자 조각을 자신의 염색체 특정 부위에 순서대로 끼워넣는데 이때 사이사이에 일정한 동일 서열을 반복적으로 배치하는 특징을 보여 이 유전자 자리를 CRISPR(Clustered Regularly Interspersed Palindromic Repeat)이라는 이름으로 부르게 되었다. 나중에 동일한 바이러스가 침입하면, CRISPR 유전자가 가지고 있는 서열을 RNA 형태로 전사(transcription)하고, 침입한 바이러스 DNA와 결합하게 한 후, 결합된 바이러스 DNA를 Cas(CRISPR-associated) 효소를 써서 잘라낸다. 이 시스템을 단순화시키고 변형시켜, 염색체에서 원하는 부위를 높은 확률로 자르고 편집할 수 있는 도구들로 개발한 것이 CRISPR-Cas 유전자 편집 도구이다.

 

유전 정보 읽기

유전자 염기서열을 읽는 방법이 대량 고속화되기 이전에 시작된 인간 게놈 프로젝트(Human Genome Project; HGP, 1990-2003)는 한 벌의 인간 유전체(22개의 상염색체와 X, Y 염색체)를 6개국 20개 기관이 나눠서 염기서열을 읽어낸 메가 프로젝트이다. 2003년 염색체 24개의 DNA 염기서열 92% 정도를 읽어낸 결과를 발표하며 마무리되었다.

지난 20여 년간, 유전 정보를 읽는 기술은 혁명적으로 발전하였다. 이제 개인 유전체 정보를 바탕으로 질병의 예측과 치료를 할 수 있는 정밀의학 시대가 이미 시작되었다. 현재 제3세대까지 진화한 시퀀싱 테크닉은 단 한 개의 DNA 분자를 실시간으로 읽어내며, 염기서열 정보뿐 아니라 정보 발현에 영향을 주는 에피유전체 변형까지 읽어내는 수준으로 발전하였다.

오믹스(omics)의 진화

분자나 세포 등의 집합체를 접미어 -ome을 붙여서 표시한다. 예를 들어 유전자(gene)의 집합체는 지놈(genome)이라고 한다. 그리고 이들 집합체 전체의 구성과 특징 등에 대한 집합적인 정보를 생산하고 분석하는 학문 분야를 접미어 -omics를 써서 지칭한다. 이들 오믹스(omics) 연구들은 염기서열과 분자들의 질량 분석 방법들이 대량화 고속화되면서 빠르게 발전하였고, 각종 생물학적 현상에 대한 대량의 정량적 디지털 데이터를 쏟아내고 있다. 

오믹스의 발달은 생명 현상에 대한 정량적 데이터를 대량으로 축적하면서, 이들 데이터를 처리해 생명 현상을 이해하는 디지털 생물학(digital biology)을 발전시켰다. 최근에는 대량의 데이터를 인공지능이 기계학습을 통해 분석하고 과거에 보지 못했던 규칙과 패턴을 발견하는 과정이 점차 용이하게 되었다. 앞으로 각종 오믹스 데이터와 현미경으로 찍은 다양한 이미지 데이터, 환자의 의료 데이터와 논문/보고서 등의 문헌 데이터들이 멀티모달(multi-modal) AI를 통해 통합적으로 처리되는 경지에 이르게 되면, 인공지능이 여태껏 인간 연구자들이 생각해내지 못했던 생물학적 가설을 제시하며, 새로운 연구 경로를 열어갈 가능성도 배제할 수 없다.

 

유전체 편집

세균의 면역 시스템을 단순화한 간단한 RNA-단백질 복합체를 원하는 세포에 집어넣고, 세포 안 염색체의 원하는 부위를 표적(target)으로 삼아 유전자를 결손(knock-out)시키는 초기의 도구들은 이제 진화를 거듭하여, 유전자 결손 외에도, 발현 감소, 염기서열 교정 등 다양한 편집 작용을 할 수 있게 되었다. 이 방법들은 기존의 유전공학 방법들에 비해 훨씬 쉽고, 빠르고, 정확하게 유전자를 바꿀 수 있어, 세균과 균류, 식물과 동물 세포를 망라한 거의 모든 생물학 실험실에서 광범위하게 활용되고 있다. 

사람을 대상으로 유전자 편집을 시도하는 것은 현재 다른 방법으로 고치기 어려운 유전병을 치료하는 데 제한되고 있다. 유전자를 편집하는 대상은 주로 혈액의 세포들, 특히 조혈모세포와 같은 혈액 줄기세포들이다. 현재 유전자 편집을 활용한 수백 건의 유전병 치료제가 임상 시험 과정을 거치고 있다. 항암 치료에 널리 쓰이기 시작한 면역 치료의 경우도, 항암 면역세포(예, CAR-T세포)의 유전자를 편집하여 항암 효과를 높이는 연구 결과들이 보고되고 있다.

수정란 배아의 유전자 편집

지난 20여 년간 다양한 생물학적 도구들이 고도화되면서, 인간의 생물학적 한계를 벗어나려는 시도들도 본격화하였다. 생식세포와 수정란 배아에 대한 유전자 편집을 금하는 규제는 현재 전 세계 대부분의 나라에서 시행되고 있다. 그러나 이러한 규제가 얼마나 엄격하게 관리될지는 미지수다. 이미 인공 수정 시 배아세포의 유전자 검사를 일상적으로 하고 있는 상황에서 편집이 더해지는 과정이 그다지 복잡하거나 어렵지 않기 때문이다. 비록 유전자 편집이 난치성 유전병에 제한되더라도, ‘난치성’과 ‘질병’을 가르는 기준이 엄격하지 않은 상황에서 불편함을 미리 제거하고 증강된 기능을 가지려는 시도를 앞으로 어떻게 제한할 것인가.

노화에 대한 도전

나이가 들면서 노인성 질병(당뇨, 암, 심장질환, 폐질환, 치매 등)의 발병률은 기하급수적으로 증가한다. 세포와 조직에서 노화가 일어나는 현상과 그 기작에 대한 이해는 21세기 들어 획기적으로 증가했다. 그에 따라, 노화를 늦추거나 노화 시계를 되돌리는 역전 또는 회춘(rejuvenation)에 대한 방법들이 쏟아져 나오고 있다.

야마나카 인자를 주입하여 늙은 생쥐를 젊게 만들어 노화 현상을 역전시킨 보고들이 최근 잇따라 나오고 있다. 노화를 치료하고자 하는 사람들은 생쥐에 적용된 방법을 변형하여 좀 더 안전한 방법으로 사람에게도 적용할 가능성을 모색하고 있다. 노화를 치료하는 개입(intervention)을 통해, 젊을 때의 건강과 생리적 기능을 오랫동안 유지할 수 있을 거란 기대가 이제는 몽상에 그치지 않고 있다.

 

생물학적 한계를 벗어나는 인간

유전자 편집을 포함한 유전공학과 발생/재생 생물학의 발전은 재료과학, 전산학, 나노과학의 기술들과 연합하여 새로운 지평을 열고 있다. 노후되고 고장 난 우리 몸의 기관들을 새로운 장기와 조직으로 대체하는 기술들이 눈부시게 발전하고 있다. 면역 적합도가 입증된 타인의 장기를 이식받는 어려움을 극복하기 위해 인간 친화적인 동물의 장기를 제공하는 바이오 기업들이 많이 생겨나고 있다. 

세포나 단백질을 함유한 바이오잉크 젤을 써서 각막이나 난소, 혈관 등을 인쇄해내는 3D-프린터 기술이 많이 발전했고, 뇌세포 층을 3D-프린터로 인쇄하여 기능적인 신경망 연결을 확인했다는 보고도 나왔다. 줄기세포를 3차원으로 배양하여 기관유사체(organoid)를 만드는 기술도 빠른 속도로 발달하고 있다. 생물학적 소재가 아닌 재료로 만든 부품들도 수정체뿐 아니라 인공 와우, 인공 신장, 인공 심장 등의 형태로 다양하게 개발되고 있다. 이미 인간은 바이오닉으로 전환되는 문턱을 넘어서고 있다.

맺는 말

인간은 비교할 수 없는 특별한 지성을 통해, 다른 생명체들이 보유한 생명 현상에서 쓸 만한 도구들을 발견하였고, 그 도구를 활용하여 필요한 유전 정보를 가공하고 읽고 변형하며 원하는 기술과 제품들을 만들어왔다. 그 기술과 제품들이 많은 인간의 생로병사 과정을 바꾸고 있다. 질병을 극복하는 과정뿐 아니라 태어나는 과정과 늙어가는 과정들이 모두 기술의 개입에 의해 점점 많이 바뀌고 있다. 

지난 20여 년간 생명과학과 기술은 가속도를 붙여가며 발전하였고 변화의 속도는 앞으로 더 빨라질 것으로 예상된다. 변화의 소용돌이에 매몰되기 전에, 기술 발전의 혜택과 부작용에 대한 광범위한 조망이 필요하다. 부작용을 방지하고 혜택의 불공정성을 극복할 정책적 준비가 미리미리 요구된다. 과학기술 발전의 현재를 이해하며 미래를 내다보는 데 인문사회적 지성, 학계와 시민사회, 정책 결정자들의 개입과 협업이 절실하다. 지구 생태계의 지속 가능성 또는 변화 가능성에 대한 수정된 이해와 함께, 인간됨(humanity)의 의미와 변화 가능성에 대한 새로운 이해가 필요하다.

 

☞ 강연 바로보기: [열린연단]_ 생명과학의 현재와 미래 (노정혜 서울대 명예교수)