왓슨과 크릭도 상상 못한 DNA 세상

DNA 이중나선 발견 60주년

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“오늘은 제임스 왓슨과 프랜시스 크릭이 DNA 이중나선 구조를 발표한 지 60주년을 맞은 2013년 4월 25일입니다. 여러분이 계시는 이곳은 ‘섭섭박사 DNA 연구소’입니다. 현재 DNA 연구가 어디까지 왔고, 유전자 기술이 미래를 어떻게 바꿀지 직접 보고 느낄 수 있도록 꾸민 곳입니다. 이번 미션은 연구소에서 다양한 유전자 연구 현장과 결과를 보면서 DNA를 구성하는 아데닌(A), 구아닌(G), 시토신(C), 티민(T) 네 염기를 찾는 것입니다. 염기를 찾은 사람만이 2차 미션 ‘이름표 떼기’에 참여할 수 있습니다. 최종 우승자에게는 자신의 유전자 일부를 바꾸거나 치료받을 수 있는 ‘유전자 변형 티켓’을 드립니다. 어과동 런닝맨~, 스타트!”



 

DNA 알고 출발하자!

“염기를 찾는 동안 DNA OX 퀴즈를 내겠습니다. 각자의 스마트폰으로 문제가 나가며, 그 때마다 O나 X를 표시하면 됩니다. 마지막까지 남은 한 분에게는 ‘특별한 DNA’를 드립니다.”



DNA 5대 사건 서울대학교 의과대학 서정선 교수 선정


1 1953년 제임스 왓슨과 프랜시스 크릭이 DNA의 이중나선 구조를 발견해 ‘네이처’에 논문을 발표했어요.
2 로버트 홀리, 하르 코라나, 마샬 니렌게르크가 유전 보호의 해석과 단백질 합성에 대한 공로로 1968년에 노벨생리의학상을 수상했어요.
3 인간게놈 프로젝트를 1990년에 시작해 2003년에 완전히 해석했어요.  여러 지원자로부터 혈액이나 정자를 받아 DNA 염기서열을 분석했답니다

4 2006년 미국에서 개인게놈 프로젝트를 시작했어요. 질병을 예방하고 치료하려면 다양한 사람의 게놈 정보가 필요하거든요. 그래서 자발적 참여자를 대상으로 방대한 데이터를 수집하기 시작했고, 우리나라는 2011년부터 한국인 개인게놈 프로젝트를 시작했답니다.

5 2008년에 1000게놈 프로젝트를 시작했어요. 미국과 중국, 영국 등이 함께 백인, 흑인, 아시아인(황인) 3대 인종 간 유전자 차이를 규명하기 위한 1000명의 게놈을 분석하기 시작했답니다. 서울대학교 연구팀은 아시아인을 자세하게 분석해 중국의 남방계와 우리나라의 북방계로 나뉜다는 사실을 밝혀 전 세계인을 4대 인종으로 구분할 수 있음을 밝혔어요.


사람은 쥐나 쌀보다 유전자 수가 적다!

다양한 생명체의 유전자 수가 밝혀지고 있어요. 초파리는 1만 3000개, 예쁜꼬마선충은 2만 개, 쥐는 3만 개, 벼는 3만 7000개예요. 그러면 사람은 얼마나 될까요? 사람은 2만 5000개 정도랍니다. 전체 DNA인 유전체의 염기쌍 수는 얼마나 될까요? 메뚜기는 93억 개, 초파리는
1억 8000만 개, 양파는 180억 개, 고사리는 1600억 개, 아메바는 6700억 개인데, 사람은 31억 개예요. 유전체 크기로만 보면 사람은 아메바의 200분의 1도 안 된답니다.


 


생활을 바꾸는  미생물 DNA 연구실

“DNA 연구소 3층에는 수많은 미생물들이 다양한 물질을 만들고 있어요. 미생물 공장인 셈이죠. 박 기자가 이곳저곳을 뒤지며 염기를 찾고 있고, 헷갈리우스는 숨어서 지켜보네요. 변 기자가 헷갈리나의 매서운 눈과 마주치더니, 오들오들 떨면서 발걸음을 5층으로 돌립니다.”



뭐든지 다 만드는 유전자 변형 미생물

유전자를 변형시킨 미생물을 이용하면 단백질을 이루는 아미노산부터 시작해서 화학물질이나 연료, 의약품까지 만들 수 있어요. 이론적으로는 생물이 만들던 물질이나 생명체를 재료로 한 물질은 다 만들 수 있답니다. 실제로 석유를 대체할 바이오연료와 강철보다 단단한 거미줄을 만들었어요. 심지어 자연계에 존재하지 않는 물질도 만들 수 있답니다. 하지만 아직까지는 기존 방법보다 비용이 더 들거나 속도가
느려 효율적이지 못한 것도 많아요.



화학물질을 환경친화적으로 변신!

미생물이 만드는 물질은 환경오염이 적어 환경친화적이라고 말해요. 화석 연료에서 추출해 만든 플라스틱은 가볍고, 싸고, 썩지 않는 장점이 있어서 널리 쓰이는데, 썩지 않는 성질이 오히려 환경을 오염시킬 수 있답니다. 반면 미생물은 평상시는 아주 단단하고 썩지 않지만, 사용하고 버리면 흙에서는 분해되는 생분해성 플라스틱을 만들거든요. 미생물이 옷이나 플라스틱처럼 생활에서 널리 쓰이는 물질을 본격적으로 생산하면, 여러분 주위의 물건 대부분이 친환경적인 제품으로 바뀔 거예요.



음식물 쓰레기로 전기를

부엌은 매일 나오는 음식물 쓰레기 때문에 곤란을 겪는 장소예요. 그런데 이런 걱정도 사라질 거예요. 유전자를 변형한 미생물이 음식물 쓰레기를 모두 먹어치운 다음, 바이오연료를 만들고, 이 연료로 전기를 생산하는 장치가 등장할 거거든요. 머지않아 음식물 쓰레기를 전기로 바꾸는 쓰레기통을 만날 거예요.



200년 자란 나무를 대신하는 치료제

아프리카나 동남아시아 같이 더운 지방에서는 말라리아로 많은 사람들이 목숨을 잃어요. 나무에서 추출하는 말라리아 치료제 아르테미시닌은 200년이나 자란 나무에서 겨우 환자 한 명을 1년 동안 치료할 수 있는 양 밖에 얻을 수 없거든요. 미국 캘리포니아버클리대학교의 제이 키슬링 교수팀은 유전자를 변형시킨 대장균이나 효모를 이용해 말라리아 치료제를 효율적으로 생산하는 방법을 찾아냈어요. 이렇게 만든 치료제를 아프리카에 공급하고 있답니다.



멸종동물 살리는 DNA 복원기술 연구실



한국호랑이를 되살린다!


우리나라 야생에는 호랑이가 살지 않아요. 멸종돼 버렸죠. 그렇다면 이제 한국호랑이를 만날 수 없을까요? 아니에요. 유전자 연구로 시베리아에서 살고 있는 시베리아호랑이가 한국호랑이와 유전자가 100% 일치한다는 사실을 알아냈거든요. 그리고 서울대학교 이항 교수팀은 시베리아호랑이의 활동 범위 같은 다양한 생태 정보를 유전자와 생태 연구로 밝힌 다음, 이를 이용해 호랑이가 백두산까지 갈 수 있는 생태통로를 만들고, 백두산에서 살 수 있게 하려고 해요.



유전자 기술로 진실을 밝힌다!

혹시 반달가슴곰 ‘장군이’와 ‘반돌이’를 지리산에 풀어 준 사실을 알고 있나요? 그런데 지금은 지리산에서 쫓겨나 자연학습장으로 돌아왔답니다. 왜냐고요? 반돌이와 장군이의 유전자를 분석했더니 동남아시아에서 살던 곰으로 밝혀졌거든요. 그래서 우리나라 곰과 비슷한 다른 곰을 지리산에서 살게 하고, 그렇지 않은 반돌이와 장군이를 다시 불러들인 거예요. 유전자 기술 덕분에 반달가슴곰 같은 생물이 어떤 집단에 속하는지 정확하게 알 수 있답니다



동식물 생태 연구를 돕는다!

2010년 대구에서 멸종위기 동물 수달을 발견했어요. 그런데 수달은 워낙 넓은 지역을 다니며 똥을 싸서 똥만 보고 몇 마리가 사는지 알 수 없었어요. 과학자들은 똥에 들어 있는 장세포를 찾아 DNA를 분석했어요. 즉 똥의 주인인 수달의 DNA를 찾아서 분석한 거예요. DNA로 범죄를 수사하는 방법과도 비슷하답니다. 이렇게 해서 대구에 수달 7마리가 살고 있다는 사실을 알아냈죠. 유전자 기술은 이렇게 멸종위기 동식물 뿐 아니라 모든 동식물의 생태 연구를 돕는답니다.



공룡과 매머드도 되살릴 수 있을까?
러시아와 일본 연구팀이 화석에서 매머드 DNA를 추출해 매머드 복제를 시도하고 있어요. 아직까지는 복제가 쉽지 않아요. 공룡은 온전한 DNA를 확보하는 것조차 쉽지 않아 복제가 더 어렵답니다. 하지만 유전자 기술이 계속 발달하고 있어 언젠가는 매머드와 공룡을 되살릴 수 있을지 몰라요. 그러나 그들이 살던 때와 지구 환경이 아주  달라서 동물원에서 구경하는 건 불가능할 거예요. 대신 매머드나 공룡이 살 수 있는 특별한 연구실에서는 만날 수 있을지 몰라요.



"유라시아다람쥐와 한반도다람쥐는 생김새나 여러 가지가 비슷해 같은 다람쥐로 알았어요. 그런데 유전자를 분석했더니 거의 다른 종이라고 할 수 있을 정도로 차이가 컸답니다. 한반도다람쥐가 한국 고유의 다람쥐라는 사실을 유전자 연구로 알아낸 거예요."



불가능을 가능으로 바꾸는 DNA 유전공학 연구실


 


파란장미의 꽃말은 ‘세상에 존재하지 않는 것’이라고 해요. 그런데 유전자 변형 기술로 파란장미가 탄생했어요. 붉은색과 주황색 색소를
만드는 유전자를 억제하고, 청색 색소를 만드는 효소 유전자를 넣어 청색 장미를 만들었어요.


염색 안 해도 청바지를 푸르게

청바지를 좋아하나요? 청바지는  청색으로 염색을 해서 만들어요. 그런데 앞으로는 옷을 만드는 재료인 면 자체가 청색이어서 염색 없이 청바지를 만들게 될 거예요. 유전자 기술을 이용해 청색면화를 만들고 있거든요. 옷감을 염색할 때 환경오염이 일어나는데, 처음부터 빨강, 파랑, 노랑 같이 다양한 색이 물든 면화를 생산하면 환경오염도 막을 수 있답니다.



불가능을 가능으로 바꾼 식물 유전공학

식물은 각자 좋은 성분을 갖고 있어요. 인삼의 사포닌은 면역력을 높여 주고, 고추의 캡사이신은 살도 빼 주고 암도 막아 주거든요. 이처럼 각 식물이 가진 좋은 성분을 한 식물에 모두 모을 수는 없을까요? 과거에는 불가능했지만 이제는 유전공학으로 가능하답니다. 즉 사포닌과 캡사이신을 듬뿍 가지면서 딸기처럼 달콤한 토마토를 먹을 수 있는 거예요. 유전공학은 전통적인 육종방법도 도와요. 예전에는 오이맛 나는 고추를 얻으려면 10번쯤 수분을 하며 10년 이상 키워야 했어요. 요즘은 어린 고추 싹 DNA를 분석해 열매를 맺기 전에 확인해서 필요한 것만 증식해 시간을 3분의 2나 단축시켰답니다.



비타민A 가득 황금쌀 개발

동남아시아 사람들은 비타민A가 부족해서 눈이 멀거나 사망하는 경우가 많아요. 그런데 이들은 쌀을 주식으로 먹어요. 그래서 스위스 과학자들이 쌀의 유전자를 바꿔서 비타민A가 들어 있는 쌀을 만들었어요. 비타민A가 금색이라 황금쌀이 된 거예요. 우리나라 농촌진흥청에서도 황금쌀을 연구하고 있어요. 안전 검사를 모두 마치면 우리나라에서 만든 황금쌀을 먹을 수 있을 거예요.




유전공학은 식물도 지뢰 찾게 한다

전쟁이 일어난 많은 나라에서는 지뢰 때문에 많은 사람들이 피해를 보고 있어요. 지뢰를 찾아서 없애는 게 쉽지 않기 때문이에요. 이런 이유로 덴마크에서는 지뢰가 지닌 화학성분을 흡수하면 안토시안 색소를 합성해서 빨갛게 변하는 식물을 개발했어요. 이 식물은 종자를 만들지 않기 때문에 다음 해에는 사라져 생태계를 곤란하게 만들지도 않아요.


질병을 막는 DNA 의학 연구실

건강검진을 대신하는 DNA칩


집에서 플라스틱 막대를 입 안에 넣고 문질러 구강세포를 채취해 DNA칩에 넣어요. 그러면 DNA칩으로 알 수 있는 주요 질병에 걸렸는지를 알 수 있답니다. 더 많은 검사를 하려면 병원에 가거나 DNA인식기에 구강세포나 혈액을 넣은 다음, 인터넷으로 DNA정보은행에 정보를 보내고 받아서 확인할 수 있어요. 이처럼 가까운 미래에는 1년에 한 번씩 받는 건강검진을 DNA칩이 대신해 줄 거예요.



DNA 검사로 맞춤 식사를
아직까지는 개인의 특성에 따른 유전자 차이나, 영양과 음식과의 연관성이 충분히 연구돼 있지 않아요. 하지만 앞으로 정보가 충분하게 쌓이면 맞춤 식사가 가능해진답니다. 한 달에 한 번 또는 일 년에 한 번 정도 DNA 검사를 해서 체질에 따라서 또는 시기적으로 부족한 영양분 섭취에 적합한 식사를 제공할 수 있는 거예요.


 





못하는 게 없고 아프지 않는 슈퍼맨 탄생?

유전공학 기술을 이용하면 평생 아프지도 않는 슈퍼 인간이 탄생할 수 있을지 몰라요. 게다가 똑똑하고 운동도 잘하면서, 멋지게 생긴
슈퍼맨이요. 그런데 이런 슈퍼맨은 생식세포의 유전자를 변형해야 해 윤리적으로 허용되지 않아 탄생할 수 없답니다. 슈퍼동물도 마찬가지로 윤리 문제가 있고, 슈퍼식물은 자연에 미치는 영향을 고려해 역시 제한하고 있어요. 이처럼 유전공학은 사람들의 동의를 얻어가며 연구를 진행하고 있답니다.


돼지 장기를 사람에게

해마다 수천 명의 사람들이 새로운 심장이나 간, 신장 이식을 기다리다가 사망해요. 돼지 장기는 사람이랑 크기가 비슷하지만 돼지 장기를 그대로 사람에게 이용할 수는 없어요. 과학자들은 유전공학 기술을 이용해 장기 부족 문제를 돼지 장기로 해결하려고 하고 있어요. 돼지 유전자를 변형하면 사람에게 장기를 옮겨도 문제가 생기지 않게끔 할 수 있거든요



특집 한 걸음 더  고민해 볼까요?
유전공학으로 우리의 생활이 더 편리해지고 더 건강해지고 있어요. 하지만 다른 문제를 일으킬 거라는 우려도 있어요. 함께 생각해 봐요.



왓슨과 크릭의 DNA 이중나선 구조 발표 60주년을 맞아, 특집으로 DNA 연구가 어디까지 왔고, 유전자 기술이 미래를 어떻게 바꿀지를 어과동 런닝맨 미션으로 꾸며 봤습니다.
그런데 유전자 변형에 대해서 사람마다 생각이 달라요. 반대하는 사람들은 유전자를 변형한 식품이나 동식물은 자연적인 것이 아니라 문제가 생길 가능성이 크다고 해요. 사람에 의해 인위적으로 변형되기 때문에 자연의 조화를 망가뜨린다는 거예요. 또 유전자 변형은 단기간에 급속하게 생물이 변하므로 생각지 못한 부작용이 생길 수 있다고 우려해요.
반면 찬성하는 사람들은 자연에서도 없던 생물이 등장하기도 하고 있던 생물이 사라지기도하기 때문에 큰 차이가 없다는 거예요. 게다가 사람들은 오래전부터 인위적으로 종자 개량을 해왔다고 해요. 예전에는 짝짓기와 돌연변이라는 우연을 기대한 방법을 썼다면 지금은
DNA와 유전자를 다루며 확실한 방법을 이용한다는 것이 다르다는 주장이에요.
현재까지는 원칙적으로 안전하다는 것이 입증될 때까지는 충분한 연구와 규제를 해야 한다는것이 유전자 변형에 대한 기본 방향이에요. 여러분은 어떻게 생각하나요? 자신만의 생각을과학특별시 토론방에서 맘껏 펼쳐 보세요.
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글 : 박응서
글 : 서정선 교수
글 : 유향숙 제협력자문위원
글 : 이상엽 교수
글 : 이항 교수
글 : 이항 교수
어린이과학동아 2013년 08호