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미니멀 세포 만들어보니 알겠네, 잉여자원이 생산의 발원지가 된다는 걸…

203호 (2016년 6월 lssue 2)

Article at a Glance

2016 3미니멀 세포제작 결과가 <사이언스> 저널 온라인판에 발표됐다. 미니멀 세포란 단순히 크기가 작은 세포를 뜻하는 게 아니라 DNA 정보량, 즉 게놈이 가장 작은 세포를 말한다. 미니멀 세포는 2010년 인공세포의 제작이 가능함을 보인 크레이그 벤터 박사가 그때의 기술을 활용해 가장 작은 게놈을 가진 인공생명으로 창조한 것이다. 흥미로운 사실은 게놈 속에 불필요해 보이는 염기서열, 이른바 쓰레기와 같은 DNA 조각들이 실제 인공생명을 창조하는 데 있어서 핵심적 역할을 했다는 점이다. 이는 기업 경영에서 일견 필요 없어 보이는 잉여 자원, 이른바슬랙(slack)’이 종종 창의성과 혁신의 발원지가 되곤 한다는 사실과 닮아 있다.

 

 

2000년 인간 게놈1 초기 지도가 발표됐다. 인간 게놈 프로젝트의 위업은 인류가 가공할 핵무기를 처음 개발한 1940년대의 맨해튼 프로젝트나 달나라에 우주선을 쏘아 보낸 1960년대의 아폴로 프로그램에 비견되는 엄청난 과학적 개가로 평가받는다. 이 대단한 업적을 기리기 위해 당시 미국 클린턴 대통령은 게놈 프로젝트의 대표 과학자 두 명, 크레이그 벤터 박사와 프랜시스 콜린스 박사를 옆에 대동하고 기자회견을 할 정도였다.

 

 

게놈의 크기와 유전자의 수

 

 

게놈의 크기와 각 생물종의 복잡성 사이에는 어떤 상관관계가 있을까? 한 생물종이 가지는 유전정보의 총합을 의미하는 게놈은 대체로 복잡한 생물종일수록 더 큰 경향이 있다. 이를테면, 우리 장 속의 박테리아인 대장균은 500만 염기쌍, 초파리는 16500만 염기쌍으로 이루어져 있는 반면 인간은 30억 염기쌍으로 이루어져 있다. 그러나 복잡한 생명체라고 항상 더 많은 양의 게놈을 가지는 건 아니다. 복잡성이 비슷한 생물끼리도 게놈 크기는 몇 십 배씩 차이가 나는 경우도 흔하기 때문이다. 예를 들어, 벼와 백합은 생물학적 특성상 큰 차이가 나타나지 않지만 게놈의 크기는 100배가량 차이가 난다. 그 이유는 생물의 게놈상에 불필요해 보이는 쓰레기 염기서열이 꽤 많은 양 들어 있기 때문이다. 백합처럼 쓰레기 염기서열이 엄청나게 많이 들어 있으면 게놈의 크기가 커지고, 벼처럼 쓰레기 염기서열이 많지 않으면 게놈의 크기는 비교적 단출해진다.

 

 

게놈의 크기와 달리 생물종이 가지는 유전자의 총수는 각 생물종의 복잡성 정도와 비교적 밀접한 연관관계를 가진다. 앞의 생물종을 예로 들어보면 대장균은 4500개의 유전자를 가지는 반면 초파리는 13600개의 유전자를, 인간은 21000개의 유전자를 각각 가진다. 대개 식물은 동물보다 유전자의 총수가 조금 더 많다. 고착생활을 하는 식물은 각종 환경의 변화에 스스로 적응하며 살아야 하기 때문에 좀 더 많은 수의 유전자들을 게놈상에 확보해두고 있다. 예를 들어 연구실에서 실험재료로 가장 많이 활용되는 애기장대라는 식물은 유전자 총수가 25000개에 달하며 벼는 32000개쯤 된다. 백합의 경우 벼보다 게놈 크기는 100배나 크지만 유전자 총수는 3만 개에서 크게 벗어나지 않는다.

 

 

 

 

 

 

생명에 필요한 최소 유전자의 수

 

 

생물체가 가지는 게놈 속 유전자의 총수를 비교하다 보면대체 생명체가 살아가기 위해 꼭 필요한 유전자는 몇 개 정도나 될까?”라는 의문을 갖게 된다. 말하자면외부에서 영양분을 충분히 공급받는 상황에서 몇 개 정도의 유전자를 가지고 있으면 스스로 세포분열을 통해 증식할 수 있을까?”라는 질문이다.

 

 

생명에 필요한 최소 유전자의 수를 풀기 위해 먼저 1996년 미국국립보건원(NIH)의 유진 쿠닌2 박사는 현재까지 밝혀진 가장 단순한 생명체가 가진 유전자의 수를 찾아봤다. 1990년대 중반까지 알려진 생물종 중 가장 단순한 생명체는 성병을 옮기는 박테리아인미코플라즈마 제니탈리움(Mycoplasma genitalium)’이었다. 이 병원균이 가지고 있는 525개의 유전자가 최소 유전자를 찾는 시발점이 된다. 이들 유전자 중 필요 없는 유전자를 가려내다 보면 최소 유전자를 찾을 수 있을 것이라는 게 쿠닌 박사의 생각이었다. 필요 없는 유전자를 가려내기 위해 쿠닌 박사는 게놈 정보가 알려진 또 다른 미생물해모필러스 인플루엔자(Haemophilus influenza, 유전자 수 1815)’3 를 활용했다.

 

 

이 단순한 두 미생물의 전체 유전자를 비교 분석함으로써 쿠닌 박사는 두 생물체에 공통으로 존재하는 유전자 233개를 골라냈다. 다음으로 물질대사 과정에 꼭 필요한 유전자 23개를 포함시켰고, 숙주 특이성 유전자(인간 세포에 감염되는 데 필요한 유전자) 6개를 제외했더니 꼭 250개의 유전자 목록이 남게 됐다. 쿠닌 박사는 이 250개 유전자를 생명으로 살아가기 위한 세포의 최소 유전자 수로 보고 1996년 미국 국립과학학술지(PNAS)에 발표했다.

 

 

쿠닌 박사의 발표 후 많은 과학자들이 과연 이 250개 유전자가 정말로 최소 유전자 수인지를 검증하기 위해 다양한 실험을 실시했다. 예를 들어 각 유전자들을 하나씩 돌연변이 시킨 다음 그래도 이 미생물이 생존할 수 있는지 확인하는 실험을 진행했다. 돌연변이를 시켰는데도 미생물이 생존한다면 그 유전자는 필요 없는 유전자라는 뜻이다. 이렇게 필요 없는 유전자들을 소거하다보니 대략 80여 개의 유전자 목록만 남게 됐다. 이들이 최소 유전자에 근접한 유전자들로 생각된다.

 

 

 

 

인공세포의 제조

 

 

그렇다면 생명체에 필요한 최소 유전자를 이용해 인공세포를 제조할 수 있을까? 인공세포 제작이라는 야심찬 프로젝트는 이제 더 이상 공상과학 소설의 영역에 머무르지 않는다. 크레이그 벤터 박사는 이미 2010 <사이언스> 저널에 인공세포를 제작했다고 발표했다.

 

 

당시 벤터 박사는 인공세포를 제조하기 위해 그때까지 가장 간단한 세포로 알려져 있던 미코플라즈마를 활용했다. 미코플라즈마에는 여러 종류의 박테리아가 있는데 앞에서 언급한 미코플라즈마 제니탈리움 외에도미코플라즈마 카프리콜롬(Mycoplasma capricolum)’ ‘미코플라즈마 마이코이데스(M. mycoides)’ 등이 있다. 벤터 박사는 마이코이데스의 게놈을 DNA 합성기로 합성해해 인공 게놈을 만들고 이것을 카프리콜롬의 게놈과 치환했다. 이렇게 만들어진 세포는 마이코이데스 세포였고 아무런 문제없이 증식됐다. 합성된 인공 세포는 자연적인 마이코이데스 세포와 구별할 수 있도록크레이그 벤터 연구소(J. Craig Venter Institute)’의 이름을 따서 ‘JCVI-Syn1.0’이라 명명됐다. JCVI-Syn1.0은 인공세포이기는 하지만 기왕에 존재하는 생물체, 즉 미코플라즈마 마이코이데스를 사실상 복사한 생명체라고 할 수 있다.

 

 

미니멀 세포

 

 

이제 최소 유전자를 가진 미니멀 세포의 제조에 대해서 살펴보자. 벤터 박사는 이미 인공세포를 제조해본 경험을 활용해 마이코이데스 기반의 미니멀 세포를 제작하는 야심찬 프로젝트를 진행했다. 미코플라즈마 제니탈리움은 여전히 현재까지 알려진 생명체 중 가장 적은 수의 유전자를 가지고 있으니 이 유전자 목록을 이용하면 미니멀 세포를 제작할 수 있을 것이라고 봤다. 이에 따라 벤터 박사는 제니탈리움이 가진 유전자 수에 기반해 471개의 유전자 정보를 가진 약 50만 염기쌍의 인공게놈을 마이코이데스 세포질 껍질에 집어넣었다. 471개의 유전자 수는 NIH의 쿠닌 박사가 제안한 최소 유전자 수(250)보다 훨씬 많은 수였다. 그럼에도 불구하고 이 인공게놈이 들어간 마이코이데스는 결국 깨어나지 못했고 실험은 실패로 끝났다.

 

 

하지만 벤터 박사는 여기서 포기하지 않고 접근 방법을 달리해 다시 실험에 나섰다. 그는 마이코이데스가 가진 원래의 게놈을 8조각으로 나눈 뒤 각 조각에 약간씩 수정을 거듭하는 과정을 통해 불필요한 부분을 제거해내는 작업을 끈기 있게 진행했다. 그 결과 마침내 약 53만 염기쌍(473개 유전자)의 인공게놈이 마이코이데스에 생명력을 불어 넣어준다는 사실을 알아냈다. 원래 마이코이데스가 가진 게놈 크기(100만 염기쌍, 901개 유전자)의 약 절반만 있으면 세포로 살아갈 수 있다는 사실을 밝힌 것이다. 이렇게 제조된 인공세포 JCVI-Syn3.0은 적어도 현재까지는 지구상에 존재하는 가장 작은미니멀 세포.

 

 

미니멀 세포 JCVI-Syn3.0 2016 3월 말 <사이언스> 저널 온라인판에 발표됐다. 미니멀 세포의 등장은 이세돌과의 바둑 대국으로 전 세계적인 조명을 받은 알파고의 등장 못지않게 인간사회에 큰 파장을 일으키는 인류사적 사건이다. JCVI-Syn1.0과 달리 JCVI-Syn3.0은 그야말로 게놈을 완전히 재구성해 냈기 때문이다.

 

 

미니멀 세포에 들어가 있는 최소 유전자 정보에는 어떤 것이 있을까? 크게 네 가지 그룹의 유전자 정보가 들어 있다. 첫째, 유전자 발현을 위한 정보들이다. DNA 구조를 밝힌 프랜시스크릭 박사의센트럴 도그마4 에 따라 DNA 정보를 이용해 단백질을 만드는 과정에 꼭 필요한 유전자들이다. 둘째, 생명의 게놈을 유지하고 존속시키는 유전자들이다. DNA 복제나 수선 등을 담당하는 유전자들이 여기에 속한다. 셋째, 세포가 환경과 소통하는 데 필요한 각종 수송 단백질, 신호 단백질 등의 유전자들이다. 넷째, 세포의 물질대사에 필요한 유전자들이다.

 

 

벤터 박사는 JCVI-Syn3.0을 제작하는 과정에서 유전자(단백질 정보를 암호화하는 부위)가 아닌 게놈 부위가 마이코이데스에 생명력을 불어넣는 데 꼭 필요하다는 사실에 놀랐다. 이는 게놈 속의 쓰레기 정보라 생각했던 DNA 조각이 생명을 위해 꼭 필요하다는 뜻이다.이 사실은 생물학자들이 그 기능을 모르는 DNA 조각이 있다는 것을 의미하며, 좀 더 넓게 이야기하면 생물학자들이 밝혀내지 못한 생물학적 원리가 존재한다는 사실을 드러낸다.

 

 

미니멀 세포가 기업에 주는 교훈은 무엇인가? 우선 극단적 효율성이다. 불필요한 요소를 제거하면 효율적인 기업 경영을 통해 생산성을 증대시킬 수 있다. 그러나 미니멀 세포를 제조하는 과정에서 우리는 언뜻 불필요해 보였던 DNA 조각들이 생명을 부여하는 데 꼭 필요하다는 사실 역시 발견했다. 이는 기업 경영에서 일견 필요 없어 보이는 잉여 자원, 이른바슬랙(slack)’이 종종 창의성과 혁신의 발원지가 되곤 한다는 사실과 맞닿아 있다. 조직 내 잉여자원이 너무 많지도, 적지도 않을 때 기업의 혁신은 가장 활발할 수 있다. 오늘날 기업 경영자들이 고도의 효율성을 추구하면서도 적절한 수준의 잉여 자원을 허용하는 지혜를 발휘하기를 기대해본다.

 

 

 

이일하서울대 생명과학부 교수 ilhalee@snu.ac.kr

필자는 서울대 식물학과에서 학사·석사 학위를 받고 미국 위스콘신대에서 생화학 박사 학위를 받았다. 30여 년간 꽃을 공부해 온 과학자로 1993년 개화유전자 루미니디펜던스를 찾아내는 등 개화 유도 분야의 선구자로서 명성을 굳혀오고 있다. 저서로 <이일하 교수의 생물학 산책>이 있다.

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