크레이그 벤터: DNA와 바다

쉬는 시간에 노화현상 토론에 관한 제 발언에 대한 질문을 여러분께 받았습니다. 제 답변을 한 마디로 정리하면 낙천주의자들이 염세주의자들보다 훨씬 오래 산다는 겁니다. (웃음)

저는 앞으로 18분 간 여러분께 오늘날 과학이 단순히 유전부호를 판독하던 수준에서 유전자를 조작하는 첫 단계로 어떻게 접어들게 되었는 지에 대해 말씀 드리겠습니다. 우리가 역사 상 최초로 한 생명체, 해모필러스 인플루엔자의 유전자 서열을 발표했던 것은 불과 10년 전의 일입니다. 과학의 발달은 게놈 프로젝트를 13년에서 4개월로 단축시켰지요. 우리는 지금 똑같은 게놈 프로젝트를 약 2시간 내지 8시간 내에 완료할 수 있습니다. 지난 10년 동안 많은 수의 게놈 해독을 완료했는데 그들의 대부분은 인간 병원체, 두어 개의 식물, 곤충 몇 종류, 그리고 인간을 포함한 동물 몇 종의 게놈이었습니다. 10년 전에는 금년 말쯤이면 아마도 3 - 5개 정도의 게놈 서열이 밝혀내지 않았을까 추측했었는데 현재의 실제 총계는 수백 개 수준에 달하고 있습니다. 우리는 방금 고든 앤 베티 무어 재단에서 130 가지 게놈 서열을 밝히기 위한 올해의 보조금을 받았는데 이것은 환경 미생물 프로젝트에 딸린 부수적인 프로젝트입니다. 유전체 서열을 읽는 속도는 이 정도로 발달했지요.

그렇지만 지금까지 밝혀진 서열은 지구 상에 있는 모든 생물체의 수에 비하면 아무것도 아니에요. 미생물은 눈에 보이지 않기 때문에 대부분의 사람들이 잘 모르시는데, 미생물은 지구 전체 생물체량의 절반을 차지합니다. 그에 비해 모든 동물군의 총 생물체량은 약 1/1000 밖에 되지 않아요. 옥스포드에 사시는 분들은 별로 그럴 기회가 없으시겠지만, 바다에 가서 바닷물을 한 모금 삼켰을 때 매 1ml의 바닷물에 약 백만 개의 박테리아와 수천만 개의 바이러스가 있다는 건 기억해 두실만 하지요.

2년 전에 특성이 밝혀진 미생물의 수는 5000개 미만이었기 때문에 우리는 이 분야를 연구하기로 결심했습니다. Sorcerer II 탐사를 시작하여 과거의 유명한 해양학 탐사대들이 그랬듯이 320 킬로미터마다 샘플을 채취했습니다. 우리는 테스트 프로젝트로 버뮤다에서 출발해서 할리팍스로 올라 갔다가 미국의 동해안을 따라 내려가며 카리브 해, 파나마 운하, 갈라파고스 섬, 태평양을 가로질러서 지금은 인도양을 탐사하는 중입니다. 이것은 매우 힘든 프로젝트이기 때문에, 젊은이들이 과학 분야에서 일하는데 흥미를 느낄 수 있도록 우리는 범선으로 항해를 합니다. 우리가 하는 실험은 지극히 간단합니다. 수집한 해수를 여러 사이즈의 필터로 걸러 사이즈별로 미생물을 채취합니다. 그 미생물들의 DNA를 록빌에 있는 우리 연구소로 보내서 24시간마다 수백만 자에 달하는 유전자 코드의 배열을 밝혀냅니다. 우리는 이 연구를 진행하면서 몇 가지 놀라운 사실을 발견했습니다.

예전에는 사람들이 인간의 눈과 똑같은 시각 색소를 가진 생명체는 지구 상에 한두 개 정도 밖에 없으리라고 생각했습니다. 그런데 알고 보니 온대 기후대 대양의 수면 근처에 사는 대부분의 미생물이 인간과 똑같은 광수용체를 가지고 있으며 그것으로 태양광선을 에너지로 변환하고 서로 통신하고 있었습니다. 우리는 한 장소에서 채취한 해수 한 통에서 130만 개의 새로운 유전자와 5만 가지 신종 미생물을 발견했습니다.

우리는 슬론 재단에서 받은 보조금으로 기반으로 장래의 연구 영역을 대기의 미생물에까지 확장했습니다. 최근의 연구 과제는 우리의 숨에 섞여있는 바이러스와 박테리아가 얼마나 되느냐 하는 것입니다. 특히 비행기 안이나 밀폐된 강의실 같은 공간에서요. (웃음) 우리는 뉴욕에 있는 빌딩의 꼭대기에 간단한 공기 필터 장치를 설치해서 하루에 약 10억 개 정도의 미생물을 채취합니다. 우리는 현재 이들 미생물의 유전자 서열을 전부 밝혀내고 있는 중입니다.

채취한 데이터에 대해 말하자면 갈라파고스 섬을 지나기까지 320 킬로미터마다 채취한 샘플에서 우리는 엄청난 다양성을 볼 수 있었습니다. 이러한 다양성의 일부는 바닷물의 온도 차이에 기인한다고 설명할 수 있지요. 이것은 바닷물의 온도를 보여주는 위성사진인데 붉은 부분은 덥고 푸른 부분은 온도가 낮은 부분이에요. 해수의 온도에 따라 미생물 종류의 수가 엄청난 차이를 보인다는 사실을 확인할 수 있었습니다. 우리를 꽤 놀라게 한 한 가지 사실은 이 광수용체들이 각각 다른 파장의 태양광선을 감지한다는 것이었습니다. 그리고 미생물들의 아미노산 서열에서 그 결과를 예측할 수 있습니다. 미생물들의 광수용체는 지역에 따라 큰 차이가 있습니다. 주로 청색이 많은 깊은 대양에 사는 미생물의 광수용체가 청색빛에 예민하다는 것은 별로 놀라운 사실이 아니겠지요. 주위에 엽록소가 많이 있으면 녹색에 많이 예민하지요. 어쩌면 적외선과 자외선 부근의 파장에 민감한 광수용체가 있을지도 모르고요.

우리는 지구에 있는 모든 생명체의 유전자 레퍼토리 수집을 목표로 탐험을 통해 지구 상 유전자 데이터 표본의 절반 이상을 포함한 2,900만 개의 유전자 데이터를 채집했습니다. 우리는 이 자료를 유전자족(族)별로 분류해서 우리가 발견한 유전자들이 기존에 알려진 유전자족에 속하는 것인지 아니면 전혀 새로운 족인지를 알아내고자 했습니다. 그 결과 매 새로운 샘플에서 이미 알려진 약 5만 개의 유전자족에 더해지는 새로운 유전자족의 증가세가 산술급수적이라는 것을 확인했습니다. 이것은 우리가 아직 모든 생명체의 기본이 되는 유전자 연구의 초기 단계에 있다는 사실을 말해주는 것이지요.

진화계통수라는 걸 살펴보면 인간은 동물류와 함께 우측 상부에 있습니다. 대략 2,900만 개의 전체 유전자 중 인간 게놈은 24,000개의 유전자를 가지고 있습니다. 동물계 전체가 공유하는 유전자는 30,000 개 미만일 것이고 유전자족으로 따지면 12,000개가 좀 넘는 정도입니다. 저는 유전자가 단순히 진화를 디자인하는 요소일 뿐이라고 생각하지 않습니다. 우리는 유전자 수준의 관점으로 생각합니다. 리처드 도킨스적인 관점이라고도 할 수 있겠죠. 유전자 구성체인 게놈 단위로 생각하는 것과는 다릅니다.

지난 10 ~ 20년 동안 인공 DNA를 만드는 기술은 DNA 배열을 밝히는 기술의 발전 속도와 비슷한 속도로 발달해왔으며, 그 속도는 계속해서 빨라지고 비용은 줄고 있습니다. 우리가 인공 게놈에 대해 처음 떠올린 것은 1995년 두 번째 게놈 배열을 밝혀냈을 즈음입니다. 마이코플라즈마 제니탈리움 게놈을 사용했죠. 그때 우리는 "나는 내 제니탈리움을 사랑한다"라는 구호가 적힌 멋진 티셔츠를 입었지요. 물론 그것은 미생물 이름이었지요 (역주: '생식기'라는 단어와 비슷하게 들림.) 제니탈리움은 약 500개의 유전자를 가지고 있고 해모필러스는 1800개의 유전자를 가지고 있죠. 우리의 의문점은 단순했습니다. 어떤 종의 유전자는 800개, 다른 애는 500개이니 최소 유전자 수만으로 구성된 좀 더 작은 유전자 세트는 없을까?

그래서 우리는 트랜스포존 돌연변이를 활용했지요. 트랜스포존은 유전자 코드에 무작위로 끼어드는 DNA 조각들을 가리킵니다. 트랜스포존이 중간에 삽입 되면, 유전자는 기능을 상실합니다. 우리는 트랜스포존 삽입이 가능한 모든 유전자에 대한 지도를 만들고 이들을 "비필수적 유전자"라고 명명했습니다. 하지만 환경이 실험 결과에 큰 영향을 끼치기 때문에 어떤 유전자가 필수적이거나 비필수적이라는 결론은 그 미생물이 어떤 환경에서 사느냐에 의존해서 내릴 수 밖에 없었습니다. 보다 직접적인 지적 접근 방식을 사용해서 13개 근접종의 게놈을 비교해보기도 했습니다. 이 13개 종이 공통으로 가지고 있는 유전자를 중첩되는 원으로 표시해보니 그 결과는 불과 173개 밖에 되지 않았습니다. 그러나 세포내 기생세균 한 종을 제외하면 그 숫자가 약간 늘었고 핵심적인 유전자 세트를 보면 그 숫자가 310개 정도로 증가했습니다. 따라서, 최소 유전자 수는 우리가 취하는 관점에 따라 500개의 제네탈리움 유전자에서 약 300개 내지 400개 정도가 아닐까 생각했습니다.

그러나 이러한 아이디어를 증명할 수 있는 유일한 방법은 카세트 방식을 사용하여 이런 유전자가 들어간 인공 염색체를 만드는 방법 밖에 없었습니다. 우리는 긴 사슬의 인공 DNA를 정확하게 만드는 것이 극도로 어렵다는 사실을 깨닫게 됩니다. 제 동료인 햄 스미스와 클라이드 허치슨은 5000 베이스 페어 바이러스를 불과 2주 동안에 합성하는 혁신적인 방법을 개발하였는데 그 방법은 서열이나 생물학적으로 100% 정확합니다. 실험은 무척 흥미진진했습니다. 합성 DNA 사슬을 박테리아에 삽입하면 DNA가 바이러스 입자들을 갑자기 양산해서 박테리아를 없애버렸어요. 인공 바이러스를 만든 것이 그때가 처음은 아니었습니다. 1년 전에 소아마비 바이러스를 인공 합성하기는 했지만 활성도가 불과 1/1000 정도였고 제조 기간도 3년이 걸렸었지요. 이것은 Phi X-174의 구조를 보여주는 그림이에요. 이것은 소프트웨어가 자신의 하드웨어를 만든 일례이며, 생명체에 대한 우리의 개념을 보여줍니다.

사람들은 인공 유전자 이야기가 나오면 생물학전에 대한 걱정부터 늘어놓습니다. 얼마 전에 미 상원위원회와 미 정부가 이 분과를 검토하기 위해 설립한 특별위원회를 대상으로 제 소회를 밝힐 기회가 있었습니다. 저는 상상의 세계와 현실을 확실히 구별하는 것이 매우 중요하다고 생각합니다. 기본적으로 지금까지 서열이 밝혀진 모든 바이러스는 인공 게놈을 만들 수 있습니다. 사람들은 인공 에볼라나 천연두 바이러스에 대해 큰 공포감을 느끼지만 이들의 DNA는 감염력이 없습니다. 따라서, 누가 천연두 게놈을 합성했다고 하더라도 그 DNA는 감염을 일으키지 않습니다. 사실 보안 부서에서 염려해야 할 것은 디자이너 바이러스입니다. 생물학적 무기 개발에 크게 투자했던 국가는 미국과 구소련연방, 둘 밖에 없습니다. 그 기존의 연구들이 정말로 중단된 상태라면 디자이너 바이러스를 만들 수 있는 노하우에 대한 앞으로의 활동은 거의 없을 수 밖에 없습니다.

저는 2년 내로 단일 세포 생물체 합성이 가능하리라고 생각합니다. 그리고 어쩌면 10년 이내로 진핵생물 세포를 합성하는 것도 가능할 지 모릅니다. 우리는 인공 염색체 안에 들어가는 카세트와 유전자를 변경하여 수십 종의 유전적 구성체를 만들고 있습니다. 문제는 이들을 어떻게 결합시키냐는 것이지요. 우리는 이들 유전자 조각을 상동재조합 시스템을 통해 하나의 염색체로 만듭니다.

이것은 3백만래드의 방사선으로도 죽일 수 없는 방사선 저항성 미생물, 디이노코커스 라디오두란스에서 나왔습니다. 이 미생물은 이처럼 엄청난 양의 방사선에 노출된 후 약 12 ~ 24 시간 이내에 문자 그대로 산산이 부서진 염색체들을 가지고 게놈을 재조립합니다. 이 미생물은 지구의 어느 곳에나 존재하며 지금껏 우리가 한 우주 여행 덕분에 이제는 아마 우주 공간에도 존재할 지 모릅니다. 이것은 약 50만래드의 방사선에 노출되었던 유리 비커입니다. 유리는 타고 금이 가기 시작했지만 비커 바닥에 있는 디이노코커스 라디오두란스는 끄떡도 하지 않았습니다. 위의 사진은 이 미생물의 게놈을 170만래드의 방사선에 노출시킨 후에 찍은 사진입니다. 염색체는 문자 그대로 산산조각이 났습니다. 이것은 24시간후에 이 DNA 조각들이 자동으로 재조립된 것을 보여줍니다. 이 미생물이 이렇게 스스로 DNA를 재조립할 수 있다는 것은 굉장히 놀라운 사실인데 지구 상에 이런 능력 가진 종은 수천 혹은 수만에 달할 지도 모릅니다. 이들 게놈이 합성된 후의 첫 단계는 그것을 게놈이 없는 세포 안으로 이식하는 것입니다.

우리는 인공 세포가 앞으로 생명체의 근본을 이해하는 것뿐 아니라 환경 및 사회적인 문제점을 해결하는데 엄청난 도움을 줄 수 있으리라 생각합니다. 예를 들어 우리가 서열을 밝힌 세 번째 유기체, 메타노코커스 자나쉬아이는 끓는 물 온도에서도 살 수 있고 에너지원은 수소이며 사용하는 모든 탄소는 주변에서 쉽게 얻을 수 있는 이산화탄소에서 얻습니다. 우리는 이제 이산화탄소로 생명을 유지하는 수천 종의 미생물을 활용해서 탄소를 모을 수 있는 다양한 방법을 알고 있습니다. 합성 공정에 사용할 탄소를 기름이 아닌 공기 중에서 추출할 수 있고, 이것으로 생체고분자나 그 외 다른 것들로 변환하는 작업도 할 수 있습니다. 일산화탄소를 먹고 사는 미생물의 환원력을 이용하면 물을 수소와 산소로 분해할 수도 있습니다. 메탄을 합성할 수 있는 방법도 많습니다. 듀퐁 사는 노르웨이 국영 석유회사인 스타토일 사와 함께 가스에서 메탄을 추출, 변형하여 유용한 생산물을 만들어내는 프로젝트를 진행하고 있습니다.

저는 곧 조합유전체학이라는 학문 분과가 곧 생기리라 생각합니다. 우리가 갖게 된 합성 신기술, 광법위한 종류의 유전자 레퍼토리, 유전자 상동재조합 기술을 활용하면, 하루에 백만 종의 염색체를 생산할 수 있는 로봇을 만들 수 있기 때문입니다. 그리하여 수소나 화학물을 생산하기 위해서든 단순히 가능성을 시험해보기 위해서든지 간에, 어쨌거나 우리는 모든 생명체 유전자가 어떤 역할을 하는지 우리의 이해를 넓혀주는 연구 결과들을 조만간 얻을 수 있게 될 것입니다.

최근 우리는 광합성 과정을 변형하여 햇빛에서 바로 수소를 추출하는 방법을 연구하고 있습니다. 자연 광합성은 산소의 영향을 받지만 우리는 산소에 민감하지 않은 수소화 효소를 사용해서 이 과정을 혁신적으로 변화시킬 수도 있다고 생각합니다. 또한, 복합당질을 단당으로 분해하는 셀룰라아제 효소와 발효 기능을 한 세포에 결합시켜 에탄올을 만드는 연구도 진행하고 있습니다. 여러 주요 연구소에서는 미생물을 사용한 제약품 생산이 이미 진행 중에 있습니다. 자연적인 복합 물질들은 현대 과학으로 제조할 수 있는 것보다 수백, 수천 배 더 복잡하지요. 저는 미래의 유전자 변형종들이 음식 원료로 사용되거나, 대체 에너지로 활용되어 환경 치료에 기여하든지, 어쩌면 석유 산업을 대체하게 될 수도 있다고 생각합니다.

관련 윤리 정책 연구 결과를 말씀드리며 본 강연을 마치겠습니다. 1999년 인공 종을 만들어도 되는가에 대하여 생명윤리학적 검토를 진행한 1년 반 동안 우리는 연구를 시작하지 못하고 있었습니다. 세계의 모든 주요 종교계가 참여했었죠. 사실 굉장히 이상한 연구였습니다. 각기 종교 지도자들이 본인들의 경전을 일종의 법전처럼 사용했거든요. 어쨌든 생명을 만드는 행위를 금하는 종교는 없다고들 하셨으니 우리 연구가 종교적인 관점에서 문제가 없다고 보시면 됩니다. 이제 생물학전에 대한 우려만이 문제로 남았습니다. 어쨌든 연구 자체는 시작해도 좋다는 허가를 받았습니다.

현재는 슬론 재단에서 본 연구가 사회에 줄 수 있는 혜택과 위험을 밝히고, 우리 팀과 같은 연구기관들이 준수해야할 규칙을 연국하는 다기관 프로젝트를 후원하고 있으며, 우리는 그 좋은 본보기가 되도록 노력하고 있습니다. 이 연구는 복잡한 이슈를 안고 있습니다. 하지만 생물학적 테러 위협이라는 문제를 빼고, 깨끗한 에너지를 만드는 기술을 발전시킨다거나, 개발도상국들이 다양하고 단순한 방법으로 혁신적인 신기술을 도입할 수 있게 도와준다는 관점에서 본다면 매우 간단한 이슈이기도 합니다. 감사합니다.