21세기 대표적인 생물학적 발견 하나를 꼽으라면 대부분의 생물학자들이 주저 없이 유전자 가위 기술, CRISPR-Cas 시스템의 발견을 꼽을 것이다. 1987년 일본 과학자에 의해 우연히 발견된 세균 속 묘한 DNA 염기서열은 이 염기서열이 틀림없이 어떤 중요한 생물학적 기능을 가지고 있을 것이라 확신한 전 세계 여러 과학자들의 통찰력에 의해 우여곡절 끝에 세균의 후천성 면역 기작으로 밝혀졌다. 그리고 이를 활용한 유전자 가위 기술(Gene Editing)이 개발됐다. 이 같은 일련의 과정은 한 편의 드라마이며 현대 생물학자들이 어떻게 새로운 생명현상을 발견하게 되는지를 보여주는 좋은 사례다.
편집자주
흔히 기업을 살아 있는 생명체라고 합니다. 이는 곧 생명에 대한 깊은 이해가 경영에 대한 통찰로 이어질 수 있음을 뜻합니다. 30여 년 동안 ‘생명이란 무엇인가’라는 주제에 천착해 온 이일하 교수가 생명의 원리와 역사에 대한 이야기를 연재합니다. 이 시리즈를 통해 독자들이 생물학과 관련된 여러 질문들에 대한 궁금증을 풀고 기업 경영에 유익한 지혜도 얻어 가시기 바랍니다.
들어가며
생물학은 20세기에 들어서서야 비로소 물리학이나 화학과 마찬가지로 분자 수준에서 이해되기 시작했다. 특히 1953년 왓슨과 크릭 박사에 의해 DNA 이중나선 구조가 밝혀지면서 유전자의 실체가 확인됐고 이때부터 생물학은 전혀 다른 모습을 가진 학문이 됐다. 20세기에 완전히 체계가 정립된 물리학, 화학 분야와 달리 생물학은 1953년을 기점으로 생명현상을 분자 수준에서 이해하기 시작한 것이다. 이후 1958년 크릭 박사가 제안한 센트럴 도그마11센트럴 도그마는 1958년 크릭 박사가 제안한 생물학의 중심 이론으로 DNA 속의 정보가 RNA 형태로 전환되어 단백질이 만들어진다는 이론이다. DNA의 유전자 정보가 RNA로 전환되는 것을 전사라 하고, RNA 정보가 단백질의 아미노산 서열 정보로 전환되는 것을 해독이라 한다. 유전자란 하나의 단백질을 생성하는 데 필요한 정보를 말한다. 따라서 센트럴 도그마는 유전자 정보가 어떻게 단백질로 발현되는지를 설명하는 이론이다.닫기의 비밀이 빠른 속도로 밝혀졌고 1980년대 말에 이르게 되면 생명체가 유전정보를 어떻게 활용해 생명현상을 일으키는지가 거의 완전하게 밝혀지게 된다.
그렇다고 해도 여전히 생물학 분야에서는 새로운 생명현상이 계속 발견돼 필자와 같은 생물학자들을 놀라게 한다. ‘아직도 생물에서 우리가 모르는 생소한 현상들이 있었단 말인가’라는 놀라움이다. 그런 발견의 대표적 예로 마이크로 RNA에 의한 바이러스 방어 기작, 즉 RNA 간섭22RNA 간섭이란 진핵생물들이 바이러스 감염 등 외래 유전자의 침입이 있을 때 이로부터 자신의 세포를 보호하기 위한 방어기작으로 RNA를 제거하는 기작을 말한다. RNA 간섭은 세균과 같은 원핵생물에는 없는, 진핵생물에만 나타나는 방어기작이다.닫기을 들 수 있고 또 다른 예로 지금 소개하고자 하는 세균의 후천성 면역 기작이 있다. 후천성 면역 기작이란 우리 인간과 같은 고등 동물이 한번 감염된 적이 있는 병원체에 대해 면역력을 가지는 기작, 즉 소아마비, 마마, 장티푸스 등의 병원체에 대한 후천성 방어 기작을 말한다. 그런데 이와 유사하게 병원체에 대한 기억 능력을 세균이 가지고 있다는 사실이 최근에 밝혀진 것이다.
세균의 후천성 면역 기작, CRISPR(Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats)는 유전자 가위 기술(Gene Editing)33유전자 가위 기술은 ‘Gene Editing’에 대한 공인된 번역어이다. 언론 매체에서 유전자 편집으로 번역해 부르고 있으나 이 분야의 과학자들은 ‘유전자 편집’이라는 용어가 의미를 과장 왜곡하고 있다고 주장한다. 이에 미래부에서 논의한 결과 유전자 가위 기술로 용어를 정리한 바 있다.닫기로 발전해 최근 생물학 분야에서 가장 뜨거운 연구 분야가 됐다. 1980년대 후반부터 유전자 치료를 위한 유전자 가위 기술이 몇몇 과학자 및 바이오벤처 연구진에 의해 개발돼 왔으나 크게 주목받지 못하다가 이 분야가 CRISPR를 만나면서 미래 신기술로 일약 스타덤에 오른 것이다. CRISPR가 뭐 길래 매스컴에서 그렇게 주목을 하고 있고 벤처캐피털들이 눈독을 들이는 걸까?
이게 뭔고? 생소한 염기서열의 발견
1987년 특정 유전자의 염기서열을 밝혀내면 한 편의 논문이 되던, 현대 생물학자들에게는 ‘호랑이 담배피던 시절’이던 시기에 일본 오사카대의 나카노(Nakano) 교수는 단백질 분해효소의 유전자를 찾아내 그 염기서열을 <미생물학회지(Jurnal of Bacteriology)>에 발표했다. 그런데 나카노 교수는 이 유전자의 끝 부분에 묘하게 생긴 염기서열이 붙어 있는 것을 발견했다. 특정 염기서열이 반복하며 연결된 구조가 자신의 유전자 끝 부분에 붙어 있었던 것이다. 특정 염기서열이 반복되는 구조, 즉 반복서열은 29개의 염기쌍으로 이뤄져 있었다. 그리고 반복서열과 반복서열 사이에는 간격서열(spacer)이 끼워져 있었다. 이 간격서열은 그 길이는 모두 동일하지만 저마다 서로 다른 염기서열을 가지고 있었다.(그림 1(가))
흥미로웠던 것은 반복서열이 ‘회문 구조(palindrome)’를 띠고 있었다는 점이다. 회문 구조란 바로 읽어나, 거꾸로 읽거나 똑같은 문장이 되는 구조를 말한다. ‘소주 만 병만 주소’와 같은 문장처럼 말이다. 반복서열에서 나타나는 회문 구조는 정확히는 ‘GGTC’라는 DNA가 앞쪽에 나오면 이를 거꾸로 나열했을 때(CTGG), 상보적으로 결합하는 ‘GACC’가 이어지는(DNA는 A와 T, G와 C가 짝을 이뤄 결합) 회문 구조였다(그림 1 (가)와 (나)). 누가 보더라도 이렇게 특이한 형태를 가진 염기서열이라면 어떤 기능이 있을 것이라 짐작할 만했다. 나카노 교수는 “참 특이하게 생겼는데 어떤 생물학적 중요성을 가지는지 모르겠다”는 솔직한 표현과 함께 논문을 마무리했다. CRISPR를 처음 인지한 연구논문이었다. 앞으로 이해를 위해서 반복서열(R)과 간격서열(S)을 기억해 두시기 바란다.
생소한 염기서열 구조의 보편성
이후 많은 과학자들의 기억 속에서 나카노 교수가 발견한 묘한 염기서열의 존재가 지워져가고 있던 2000년. 스페인의 과학자, 모지카(Mojica) 박사가 이 묘한 구조가 실은 많은 세균의 유전체44유전체는 게놈이라 소개되기도 하는데 한 생물체가 가진 유정정보의 총합을 말한다. 즉. 한 생명체가 가진 DNA 염기서열 전체를 말한다.닫기 내에 존재한다고 보고하게 된다. 그는 1995년부터 나카노 박사가 관찰한 염기서열 형태를 다른 세균에서도 발견하기 시작했으며 2000년에 20여 종의 세균에서 발견된 유사한 염기서열 형태를 정리해서 논문으로 발표했다. 이 논문에서 모지카 박사는 특이한 이 염기서열 구조를 규칙적인 간격으로 떨어진 짧은 반복서열이라는 의미의 SRSR(Short Regularly Spaced Repeats)이라 명명했다. 반복서열이 일정한 간격으로 떨어져 있음을 분명히 인지한 것이다. 이때부터 본격적으로 미생물학자들이 이 특이한 염기서열 구조에 관심을 기울이기 시작했다. 13년간 무시돼 오던 구조가 바야흐로 빛을 보기 시작한 것이다.
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