생명이 언제 시작되었는지 정확히 모르지만, 대략 44억 년 전 처음으로 생명이 출현했다고 추정하고 있다. 생명의 기원에 관해서는 아직까지 다양한 가설이 존재하고 있다. 그래서 생명의 탄생을 연구하는 다양한 방법이 있고, 수 많은 연구팀은 각자의 방법으로 연구와 실험을 진행하고 있다.
생명체의 가장 기본단위는 바로 세포이며, 이 세포가 생존하려면 DNA와 대사기능, 세포막이 필요하다. 과학기술의 발전으로 새로운 기능을 가진 생명체를 인공적으로 합성하기도 한다. 말 그대로 인공생명체를 합성하는 것이다. ‘합성생물학’ 또는 ‘인공생물학’이라고 부르는 학문이다.
특정한 목적을 위해 생명체를 인공합성하는 학문인데, 생명과학과 기술과학이 결합하여 탄생한 새로운 과학 분야의 하나이다. 메사추세츠공과대학을 비롯한 미국의 일부 대학에서 먼저 시작되었으며, 현재는 한국과 유럽 등지에서도 연구가 활발히 진행되고 있다.
실제로 2004년 2월 메사추세츠공과대학이 발행하는 과학잡지 ‘테크놀로지 리뷰’(Technology Review)에서는 우리 세상을 바꿀 10대 신기술 가운데 2번째로 인공생물학을 꼽기도 했다. 앞으로 계속해서 발전할 수 있는 가능성이 큰 학문이다. (관련링크)
권성훈 서울대학교 교수와 방두희 연세대학교 교수를 비롯한 공동 연구팀은 수십만 종의 DNA 염기서열에서 특정한 DNA 단어만 레이저 추출 기법으로 뽑아내 조립할 수 있는 ‘DNA 레이저 프린터 기술’을 개발하였다. 인공생명체 개발에 한 발짝 더 다가서게 된 것이다. (원문링크)
이번 기술의 핵심은 바로 생명체의 유전자(DNA) 염기서열을 초고속으로 인공 합성하면서도 비용을 대폭 낮추었다는 점이다. DNA 염기서열은 생명체의 구성과 기능에 대한 정보를 담고 있어, 이를 인공적으로 조작하게 되면 기존 생명체를 모방하거나 새로운 인공생명체를 합성할 수 있게 된다.
DNA 염기서열은 원래 단 하나의 서열에라도 오류가 있거나 다른 염기서열이 붙어 있으면 안된다. 왜냐하면 완전히 다른 기능으로 작용하거나 아예 기능을 하지 못하기 때문이다. 이번에 개발한 기술은 비용과 시간을 크게 줄여 염기서열을 구성할 수 있다.
즉, 컴퓨터에 문장을 입력해서 프린터로 출력하듯 필요한 기능의 DNA 염기서열을 DNA 레이저 프린터로 구성하게 된다. 이번 기술을 이용한다면 수년간 최대 수십억 원 이상이 소요되던 DNA 염기서열 관련 실험을 단 며칠 안에 몇백만원 수준에서 할 수 있을 것으로 보인다.
가장 효과적인 기능을 하는 인공생명체를 찾기 위해서는 빠르고 저렴하게 DNA 염기서열을 합성하는 것이 가장 중요하다. 이번 연구는 연구자들이 필요로 하는 기능을 가진 DNA 서열을 만들어내는 일종의 ‘꿈의 기술’이라고 볼 수도 있다.

인공 DNA로 새 생명체 만들기도

이에 앞서 지난해 5월에는 살아있는 생명체의 자연 DNA에 인공 DNA를 섞어 새로운 생명체를 만들어내는데 성공하기도 했다. 데니스 마리쉐브(Denis A. Malyshev) 스크립스 연구소(The Scripps Research Institute, USA) 박사를 비롯한 연구팀이 학술지 ‘네이처’(nature)를 통해 발표한 내용이다. (원문링크)
이들이 실험에 사용한 것은 바로 살아있는 대장균의 박테리아이다. 아데닌(A), 티민(T), 구아닌(G), 시토신(C) 등 4종류 염기쌍으로 이뤄진 자연 DNA에, 화학적으로 합성해 만든 X-Y라는 인공 염기쌍을 하나 더 주입하여 총 6종류의 염기쌍을 가진 생명체를 만들어냈다. 지구상에 없는 전혀 새로운 생명체이다.
즉, X염기가 Y와 짝을 이뤘을 때 A염기가 T염기와, C염기가 G염기와 짝을 이뤘을 때 처럼 정확하게 DNA를 복제하는데 성공한 것이다. 지금까지는 살아있는 세포 안에서 인공 DNA가 그 기능을 수행하게 하는 것이 불가능했다. 그래서 인공 DNA의 복제는 시험관안에서만 가능했다.
DNA의 염기는 4종류가 어떤 순서로 어떻게 배열되느냐에 따라 단백질 생산이 지정된다. 그리고 3개가 결합하여 단백질의 구성 성분인 특정 아미노산 하나를 만들어내고, 이로 인해 생명체가 만들어지게 되는 것이다. 일부에서는 이 실험을 두고 ‘신의 영역’을 침범했다고 이야기 하기도 한다.
사실 인공생물학 분야는 생물을 합성하거나 변형하는 것이기 대문에 생명경시에 대한 윤리 문제가 항상 따라다닌다. 이를 해결하기 위해 2004년 메사추세츠공과대학에서는 합성생물학 학술회의인 SB 1.0(Sunthetic Biology 1.0)이 열렸고 이후 학술회의를 통해 다양한 사람들이 모여 관련된 토론을 펼치며 의견을 교환하고 있다.
2008년 12월 생물 무기 금지협약 당사국 회의를 통해 인공생물학 기술의 오용가능성에 대한 우려가 본격적으로 제기되었고, 이후 국제기구나 국제협약차원에서 이 학문의 위험성에 대한 논의가 활발히 진행되고 있다. 관련된 논란은 계속 될 것으로 보인다.

응용분야 넓지만 논란도 여전히 존재

인공생물학은 에너지, 석유대체 물질 및 고부가가치 대사산물을 대장균, 효모 등을 이용해 합성하는데 적용될 수 있다. 장기적으로는 새로운 바이오 시스템 또는 인공생명체 설계 및 합성 기술로 발전할 수도 있다. 앞으로 상당히 발전할 가능성이 많은 분야이다.
그럼에도 논란은 끊이지 않을 것으로 보인다. 앞서 이야기한 생명윤리 뿐만 아니라, 생물안전성과 생물안보에도 위협이 될 수 있기 때문이다. 위험물질이 비의도적으로 또는 환경방출용으로 외부에 노출되었을 경우, 인간과 생태계에 미치는 영향이 클 수 있다.
1990년대 외래유전자를 삽입해 상품으로 만든 LMO의 등장이 생물안전성 논의가 시작된 주요계기인데, 인공생물학 이후에는 ‘질적’으로 다른 위해성을 야기한다는 주장이 나왔다. 유전자의 복잡한 네트워크 상호작용에 대해서 알려지지 않은 부작용의 가능성, 그리고 장기적으로만 발현되는 부작용은 미리 알아낼 방도가 없고 직접 사용해야만 검증이 가능하기 때문에 우려의 목소리가 높아지고 있다.
생물안보 역시 마찬가지이다. 의도적으로 병균이나 독성물질을 훔치거나 생태계에 방출할 경우, 바이오 테러가 일어날 수 있다. 이미 박멸된 바이러스조차 서열만 알면 얼마든지 실험실에서 복원해낼 수 있고, 더욱 맹독을 갖도록 변형할 수 있기 때문이다.
실제로 2010년 5월 버락 오바마 미국대통령은 게놈을 전체 수준에서 설계하고 제작하는 인공생물학 기술이 가져다줄 잠재적 혜택과 위험에 대해 조사해달라며 ‘생명윤리 쟁점 연구를 위한 대통령위원회’(The Presidential Commission for the Study of Bioethical Issues)에 평가를 부탁하기도 했다. (관련링크)
인공생물학에 대한 논란이 끊이지 않는 것은 아직까지 생명의 기원이 명확하게 밝혀지지 않았기 때문일 수도 있다. 앞서 이야기 했듯, 아직까지 생명의 기원과 관련해서는 ‘가설’만 존재할 뿐이다. ‘생명은 어떻게 시작되었나’라는 생물학의 큰 물음에 인공생물학이 어떠한 대답을 내놓을지 귀추가 주목된다.