[김명자의 과학 오디세이]크리스퍼 유전자 가위 혁명, 위기인가 기회인가 [중앙일보] 입력 2016.07.29 00:27 수정 2016.07.29 00:43 유전자가위로 유전자 교정 가능함을 국내 연구진이 처음 입증했지만
규제가 약한 미국이 앞서가고 특허도 버클리·브로드 연구소 각축전
헉슬리의 ‘멋진 신세계’ 속 ‘오, 포드!’, ‘템페스트’
영국의 올더스 헉슬리(A. Huxley)는 1932년에 ‘멋진 신세계’(Brave New World)를 발표했다. 아직도 읽히는 현대고전이라는데, 인간의 존엄성을 완전 상실한 2540년 과학문명에 대한 풍자가 신랄하다 못해 섬뜩하다. 그 신세계 속의 인간은 유전자와 정신의 조작의 산물로 그려진다. 런던의 부화센터 수정(受精) 부서에서 시험관 아기들이 5개 계급의 맞춤형으로 대량생산되며, 하나의 난자에서 수십 개(?)의 일란성 쌍둥이가 만들어진다.
아이들은 미리 정해진 운명으로 태어난다. 최상의 지성(知性)을 갖춘 지도층에서부터 지성이 제거된 최하위 계층까지 5개 등급이 실험실에서 결정된다. 이렇게 생산된 아기들은 조건반사실로 옮겨지고, 불안과 거부감 주입으로 사물에 대한 즐거움을 모르게끔 길들여진다. 끝없이 반복되는 수면 학습과 세뇌를 통해 미리 프로그램된 운명에 순응토록 가공되는 것이다.
이 세계에서는 헨리 포드가 신격(神格)이다. 그들은 성호를 긋는 대신 포드의 자동차 T 모델을 상징하는 T자를 그린다. ‘오, 주여’ 하는 대신 ‘오, 포드’라 중얼거린다. 소설 제목 ‘멋진 신세계’는 셰익스피어의 ‘템페스트’에서 따온 것으로 문명비판의 상징이라는 해석이다. 그 세상에서는 모두 행복하다. 우울감이 들라치면 소마(Soma)라는 마약을 먹으면 된다. 가난도 질병도 실업도 전쟁도 없다. 그런데 그 ‘멋진 신세계’는 디스토피아의 대명사가 됐다.
58년 헉슬리는 ‘멋진 신세계’의 주제를 리바이벌해 ‘다시 찾아본 멋진 신세계’의 표제로 문명비판론을 제시했다. 미국에 정착한 그는 63년 11월 22일 캘리포니아에서 69세로 세상을 떠난다. 그날 케네디 대통령이 암살된다. 때문에 헉슬리의 명성에 비춰 그의 서거 소식이 묻혀버렸다는 얘기도 있다. 여기서 굳이 ‘멋진 신세계’를 언급하는 이유는 과학사(科學史)의 이정표에서 생명과학기술 혁신의 고비마다 기술문명의 공포의 아이콘처럼 이 소설이 등장하기 때문이다.
멘델 유전법칙의 재발견 의미
20세기 과학사에서 전반부가 물리과학의 전성기였다면 후반기는 생명과학의 혁명기였다. 전자는 양자역학 혁명과 맨해튼 프로젝트 등의 충격으로 대변되고, 후자는 1953년 DNA 이중나선 구조의 발견에서 비롯된 생명공학기술의 전개가 대표한다. 생물학이 생명공학기술로 진화된 결정적 계기는 유전의 수수께끼를 푼 데서 비롯된다.
그 발단은 1900년 멘델(G. Mendel, 1822~1884)의 유전법칙(1866년 발표)의 재발견으로 거슬러 오른다. 멘델의 시대에는 염색체 개념조차 없었고, 유전 형질의 ‘평균적인 유전’을 믿고 있었다. 따라서 어버이가 두 가지 유전 형질 중 하나씩을 주고 형질이 나타나지 않으면 숨어버린다는 멘델의 이론은 획기적이었다. 그러나 수도원은 수도사 멘델이 암컷과 수컷을 교배하며 유전 연구에 몰두하는 것을 달가워하지 않았고, 그의 이론은 아무도 거들떠보지 않은 채 수도원에서의 멘델의 죽음과 함께 묻혀 버렸던 것이다.
1869년에는 스위스 출신의 미쉐르(F. Miescher, 1844-1895)가 독일 튜빙겐 대학 실험실에서 세포핵으로부터 핵질(nuclein, 현재의 핵산)을 분리한다. 1910년대에는 미국 모건(T. H. Morgan, 1866-1945, 1933년 노벨생리의학상)이 초파리에 방사선을 쪼여 돌연변이를 만들고, 그 유전을 통해 염색체라는 유전단위를 발견한다. 44년 생화학자와 의학자로 구성된 에이버리(O. T. Avery, 1877-1955) 연구진은 뉴욕에서 어떤 병원균은 단백질이 아닌 화합물이 유전적 특성을 보인다는 사실을 확인한다. 에이버리가 발견한 것이 바로 DNA였으나, 그 실체는 미지의 영역이었다. 이들 진전이 이루어지는 동안 20세기 전반까지 생물과학은 주로 유전 현상 자체를 다루고 있었다.
DNA 구조 규명에 얽힌 에피소드를 딛고 분자생물학, 분자유전학 탄생
20세기 중반으로 접어들며 상황은 달라진다. 1940-50년 핵산이 유전현상의 핵심 요소로 생체의 단백질 합성에서 주요 기능을 한다는 것이 밝혀진다. 53년에 결정적인 돌파구가 열려, 케임브리지 대학에서 연구하던 왓슨(J. D. Watson, 1928- )과 크릭(F. H. C. Crick, 1916-2004)이 DNA의 이중나선(double helix) 구조를 밝힌다. 런던 킹스 칼리지의 윌킨스(M. Wilkins, 1916-2004)까지 3인이 1962년 노벨상을 받는다.
그러나 이 에피소드는 그 위업에도 불구하고 과학사의 가장 어두운 장면을 보여준다. 프랭클린(R. Franklin, 1920-1958)의 위대한 발견이 은폐됐기 때문이다. 그는 킹스 칼리지에서 윌킨스와의 만남으로 이중나선 발견의 악연에 엮인다. 프랭클린은 DNA 구조가 이중나선임을 추정케 하는 X선 회절사진의 결정적 증거를 얻어냈음에도 확증되지 않은 것은 가설이라는 믿음으로 공개하지 않고 연구를 계속한다. 윌킨스는 이 사진을 아무런 허락 없이 분석하고 왓슨과 크릭에게 유출한다.
58년에 37세로 난소암으로 세상을 떠난 그의 죽음으로 과학사에서 묻힐 뻔했던 이 스토리는 세상의 주목을 받게 된다. 왓슨이 쓴 ‘이중나선’에서 프랭클린을 ‘욕심 많고 고집 센 다크 레이디(Dark Lady)’로 폄하하면서 프랭클린에 대한 재조명과 과학연구의 진실에 대한 문제 제기가 된 것이다. 세계적인 전기작가 브렌다 매독스(B. Maddox)는 ‘로잘린드 플랭클린과 DNA’(한글판 2004년)에서 연구 업적을 도둑맞은 비운의 천재 여성과학자가 생명의 비밀 발견에 어떻게 기여했는지를 담담하게 보여주고 있다.
이런 역사를 뒤로 하고, DNA 구조의 규명으로 생물과학에서 분자생물학이라는 신천지가 열린다. 그리고 유전이란 무엇인가, 어떻게 유전이 일어나는가의 물음에 답하는 과정에서 분자유전학이 탄생한다. 그로써 유전물질이 그 자체를 복사하고, 단백질의 특정 아미노산 서열을 형성하는 메커니즘을 설명할 수 있는 유전자의 3차원 분자구조를 밝히는 기념비적 성취가 이루어진 것이다.
슈뢰딩거의 ‘생명이란 무엇인가?’
그 배경에는 물리과학의 영향이 컸다. 양자역학의 주역이었던 보어(N. Bohr)와 슈뢰딩거(E. Schrodinger) 등 물리과학자들은 양자역학이 일단 모습을 갖추게 되자, 생명의 비밀을 캐려는 열망으로 생명현상으로 관심을 돌린다. 그 가운데 슈뢰딩거의 ‘생명이란 무엇인가?’(What is Life, 1945년)는 생물과학자들에게 강한 영감을 불어넣는다. 당시의 과학자들은 ‘유전자의 구조가 어떤 방식으로 단백질의 구조로 변환되는가’에 대한 답을 찾는 것이 생명현상의 열쇠라 믿게 된다. 그리고 그것을 푸는 과정에서 정보의 개념이 중요하다는 것을 확인하고, 분자구조적인 접근과 생화학적 접근의 연계가 이루어진다.
이렇듯 생물과학 분야의 세분화와 융합의 조화로 생물학적 현상은 가장 기본적인 공통인자인 분자 단위까지로 내려갔다. 그리고 그것들 상호 간에 통합이 이루어지면서 분자생물학의 주요 개념들이 생명과학의 여러 분야를 한데 묶게 된다. 말하자면 물리학과 화학의 방법론에 의해 유기체의 현상 연구가 획기적 진전을 거두면서 생명현상의 핵심 미스터리가 풀리기 시작한 것이다.
DNA를 자르고 잇고 전달하고...
20세기 중반 생물과학 연구의 최대 업적은 생명현상이 물질적 차원이 아니라 정보에 의해 조정된다는 것, 생물의 유전정보 사이에 호환성이 있음을 확인한 것이었다. 이후 생명과학 연구는 두 가지 주제에 초점을 맞추게 된다. DNA를 원하는 대로 절단하고 또 연결시킬 수 있는 방법을 찾고, DNA를 다른 생물체에 넣어주는 데 필요한 DNA 운반체를 찾는 일이었다.
첫째 과제는 50년대 말부터 십여 년 사이에 해결된다. DNA를 결합시키는 중합효소, DNA를 해체시키는 분해효소, 그리고 70년 DNA의 특정 염기서열을 인식해 정확한 위치에서 절단해 특정 조각들을 만들어내는 제한효소(Restriction Endonuclease)의 발견 덕분이었다. 유전자 조작 기술은 바로 이 제한효소의 발견에서 길을 찾는다. 둘째 과제는 바이러스의 DNA에 외부 DNA를 삽입하고 숙주세포에 감염시킴으로써 특정 유전자를 숙주생물에 도입하는 미생물학의 공로에 의해 해결된다.
유전자 재조합 성공에 매스컴이 붙여준 이름 ‘유전공학’
이들 연구를 바탕으로 1973년 DNA 유전자의 재조합에 성공하고, 클로닝(cloning) 기법이 탄생한다. 73년 미국 스탠포드대 연구진(S. Cohen & H. Boyer)이 특정 DNA 절편이 삽입된 플라즈미드를 대장균 내로 삽입한 실험(recombinant DNA technology)에 성공한 것은 실험실 연구가 공학과 산업으로 넘어감을 알리는 신호탄이었다. 이처럼 유전자 조작 기술이 성공을 거두자 미디어에서는 재빨리 유전공학(Genetic Engineering)이란 신조어를 붙여준다. 과학자들은 이 용어를 별로 달가워하지 않았다. 어쨌거나 유전자를 재조합하고, 세포를 융합시키고, 핵이나 세포기관을 치환하고, 조직을 배양하는 등의 기술에 의해 생명체를 개조하거나 심지어 창조할 수 있는 생명공학기술 시대가 열린 것이다.
77년부터는 생화학자들이 DNA의 염기서열을 결정하는 실험으로 들어간다. 유전정보를 전달하는 DNA는 뉴클레오티드(nucleotide)의 집합체로서, 뉴클레오티드는 한 가지 당, 하나의 인, 하나의 염기로 이루어진다. 염기는 아데닌(A), 시토신(C), 구아닌(G), 티민(T)이다. 이중나선으로 배열된 염기서열에는 세포가 스스로를 복제하고 생화학 반응을 하는 데 필요한 모든 정보가 들어 있다.
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