크렉 벤터 "인공 생명체"의 베일을 벗기다

우리는 오늘 이 자리에서 최초의 인공세포에 대해 발표하고자 합니다. 이 인공세포는 컴퓨터로 생성한 디지털 유전암호에 기초하여, 네 가지의 화학 물질로 염색체를 만들고, 그 염색체를 효모세포에 주입하여 조합한 뒤, 이것을 박테리아 세포에 이식함으로써 만들어지며, 이 인공세포가 분열하면 새로운 박테리아 종이 탄생하게 됩니다. 이것은 지구상 최초로 컴퓨터를 모체로 두고 있는 자기 증식이 가능한 종인 것입니다. 또한 이 종은 세계 최초로 유전자 코드안에 암호화된 웹사이트 주소를 담고 있습니다. 이 워터마크에 대한 자세한 설명은 잠시후에 하겠습니다.

이 프로젝트는 대략 15년 전 우리 팀이 타이거(TIGR)라는 연구소에서 사상 처음으로 게놈 2개의 염기서열을 분석하는 일에 착수하면서 시작되었습니다. 헤모필루스 인플루엔자균과 자가증식이 가능한 종 중에서 가장 작은 게놈을 가진 마이코플라즈마 제니탈리움균의 게놈이었습니다. 이 2개 게놈의 분석을 마쳤을 때, 우리는, 이게 만약 자기 증식이 가능한 종 중에서 가장 작은 게놈이라면, 이 세상에 이 보다 더 작은 게놈이 있는지 의문을 가졌습니다. 또한 세포 활동의 원리를 유전적 개념에서 이해할 수 있는지도 궁금했습니다. 이 두가지 의문에 답하기 위한 시발점을 향해 15년을 노력했습니다. 하나의 세포에서 여러 개의 유전자를 추출하기란 매우 어렵고 한번에 하나만이 가능했기 때문에, 우리는 연구 초창기에 그 당시에는 어느 누구도 시도한 적이 없는 인공합성 기법 연구가 필수적이라고 판단했습니다. 이를 통해, 박테리아 염색체를 합성할 수 있는지 알아내고, 유전 물질을 다양화하여 생명에 필수적인 유전자를 이해하는 것이 목적이었습니다. 이것이 오늘날 우리를 여기까지 불러온, 15년 연구의 시발점 입니다.

우리가 첫 번째 실험을 하기 전, 그 당시 펜실베니아 대학교에 있던 Art Caplan의 연구진에게 최초로 시도 되는 실험의 위험성과 어려움, 실험실에서 새로운 종을 창조하는 것에 대한 윤리문제에 대해 검토해 줄것을 요청했습니다. 그들은 2년 동안 독자적으로 검토한 후, 1999년 그 결과를 "사이언스"지에 게재했습니다. Ham과 저는 인체 게놈 프로젝트에 참여하여 2년 정도 연구에서 빠져 있었고, 그 프로젝트가 끝나자 마자 다시 본 연구로 복귀했습니다.

2002년, 우리는 IBEA(Institute for Biological Energy Alternatives)라는 새로운 연구소를 설립했고, 그곳에서 2개의 목표를 정했습니다. 첫 번째는, 우리의 기술이 생태계에 미치는 영향과 생태계를 더 잘 이해하기 위한 방법을 찾는 것 입니다. 그리고 두 번째는, 이 인공 생명체의 창조를 시작으로 생명의 기본을 이해하는 것 입니다. 2003년, 첫 번째 성과를 발표했습니다. Ham Smith와 Clyde Hutchison는 초보적 수준의 완벽한 DNA를 만드는 새로운 방법을 개발했습니다. 우리의 첫 번째 작업 대상은, 대장균에만 기생하는 5000개 유전암호를 가진 세균성바이러스였습니다. 그것은 phi X 174 바이러스였고, 역사적인 이유때문에 선택되었습니다. 바로 세계 최초의 DNA-세포, 즉, 염기서열 분석이 완벽하게 끝난 DNA 바이러스, DNA 게놈이었던 것입니다. 그래서 우리가 5000개의 염기쌍을 가진 바이러스 크기의 조각을 만들 수 있음을 알았을 때, 우리는 최소한 이런 방법을 통해 많은 조각들을 연속적으로 만들어서 조합하면 궁극적으로 100만개의 염기쌍을 가진 메가베이스 염색체를 만들 수 있다고 생각했습니다. 그래서, 초기 생각보다 규모가 상당하게 커졌습니다.

여기에는 거쳐야 할 여러 단계와 2개의 문제점이 있었습니다. 우리는 큰 DNA 분자를 만들기 위해 화학적 문제를 풀어야 했고, 그 다음, 새로운 화학 물질을 이식 받는 세포에서 어떻게 활성화 시킬 것인지 대한 문제를 풀어야 했습니다. 그래서 우리는 팀을 2개로 나누었고, 한 팀은 화학 분야을 맡고, 그리고 다른 한 쪽은 새로운 세포를 만들기 위해, 염색체 전체를 이식하는 방법을 연구했습니다. 연구를 시작했을 때는, 합성 과정이 가장 어려울 것 같아서, 가장 작은 게놈을 선택했습니다.

몇 분은 눈치챘을지도 모르겠지만, 가장 작은 게놈에서 더욱 큰 게놈으로 변경했습니다. 그 이유들을 말하자면, 기본적으로, 작은 세포는 연구 결과를 얻기 위해 1~2달이 소요되지만, 그에 비해, 크고 성장이 빠른 세포는 오직 2일만 있으면 됩니다. 그래서 1주기당 대략 6주가 소요되어, 1년동안 꽤 많은 주기에 대한 연구가 가능했습니다. 그리고 이 사실을 아셔야 하는데, 99%, 아마 99% 보다 더 많은 실험이 실패했습니다. 그래서 이 연구는 오류를 수정하고, 문제해결을 위해 처음부터 시나리오를 다시짜는 과정이었습니다. 왜냐하면, 성공에 도달하는 레시피가 없었기 때문 입니다.

결국, 우리는 2007년에 가장 중요한 연구결과를 발표하게 됩니다. Carole Lartigue가 실제로 박테리아 염색체를 하나에서 다른 박테리아로 이식하는 데에 성공한 것입니다. 제가 생각하기에, 그것은 우리가 작성한 가장 중요한 논문 중 하나였습니다. 왜냐하면 생명이 정말 역동적임을 보여준 논문이었기 때문입니다. 그리고 이 실험이 성공한 이상, 우리가 실제로 인공 염색체를 만들어 이식할 수 있는 가능성을 찾았습니다. 우리는 실험 성공에 몇 년이 걸릴지 몰랐습니다.

2008년에, 우리는 500,000개 규모의 유전 암호를 가진 마이코플라즈마 제니탈리움균 게놈의 완벽한 합성을 보고했지만, 실제로 그 염색체를 활성화시키지는 못했습니다. 우리는, 한편으로는, 세포 성장이 느리기 때문이고, 그 다음으로는 세포가 우리의 실험을 방해하는 특유의 방어 구조를 가졌기 때문이라고 추측했습니다. 알고 보니, 우리가 이식을 시도했던 세포에는 표면의 DNA를 잡아먹는 뉴클레아제라는 효소가 있었고, 이 효소가 우리가 이식한 DNA를 신나게 먹어 치웠기에 이식은 실패할 수 밖에 없었습니다. 하지만 그 시점에서, 그 DNA는 우리가 만들어낸 특정한 구조를 가진 가장 큰 DNA 분자였습니다.

그리고, 두 분야 모두 연구가 진행되었고, 합성 분야에서는 DNA 조각들을 효모 세포 속에 넣은 후, 효모 세포가 이를 조립하도록 만드는 데에 거의 성공하는 단계에 도달했습니다. 이것은 놀라운 진보였지만, 우리는 효모 세포 안에서 박테리아 염색체가 성장해버리는 문제에 직면했습니다. 그래서, 이식은 물론, 우리는 박테리아 염색체를 진핵성 효모 세포로부터 이식할 수 있는 형태로 꺼내는 방법이 필요했습니다.

그래서 우리 팀은 박테리아 염색체를 효모세포에서 키우고 복제하는 새로운 기술을 개발했습니다. 우리는 Carole이 처음에 이식한 마이코이데스 박테리아의 게놈을 가지고 효모세포안에서 인공 염색체를 만들어냈습니다. 이것은 염색체를 효모세포에서 추출하고 이를 다시 이식하는 방법을 배울 수 있는 좋은 실험대였습니다. 그러나 이 실험을 했을 때, 효모세포에서 염색체를 꺼낼 수는 있었지만, 이식에 실패하고, 세포도 활성화시키지 못했습니다. 이 작은 문제를 해결하기 위해, 연구진은 2년을 더 연구했습니다.

그 결과, 박테리아 세포에 있는 DNA는 실제로 메틸화된 상태로 존재하고, 이 메틸화 반응이 제한 효소의 DNA 분해를 막는 것으로 밝혀졌습니다. 결국 우리는 염색체를 효모세포에서 꺼낸 뒤, 메틸화 한다면 염색체 이식이 가능하다는 사실을 알아냈습니다. 더욱 발전하여, 우리 팀은 이식받을 카프리콜룸 세포에서 제한효소 유전자를 제거했고, 그 결과, 우리는 노출된 DNA를 효모세포에서 꺼내고 이식할 수 있었습니다.

그래서 지난 가을, 우리가 이 실험 결과를 "사이언스"지에 발표했을 때, 우리 모두는 지나치게 자신만만했고, 단 몇 주만 지나면 효모세포에서 추출한 염색체를 활성화 시킬 수 있을 것으로 확신했습니다. 마이코플라즈마 제니탈리움 박테리아의 느린 성장속도와 각종 문제들 때문에, 우리는 1년 반전에 모든 생물학적 문제가 해결되었다는 전제하에 더 큰 염색체인 마이코이데스 박테리아의 염색체를 합성에 사용했습니다. 그리고 Dan이 백만 개의 염기쌍을 가진 염색체를 합성하기 위한 팀을 이끌었습니다. 하지만, 이 실험은 쉽게 마무리되지 않았습니다. 백만 개 이상의 염기쌍 중에서 1개의 오류를 발견했고, 3개월의 노력은 수포로 돌아갔습니다.

그래서 연구진은 각각의 합성 조각이 자연 상태의 DNA와 같은 환경에서 성장하는지 시험할 수 있는 오류검출 소프트웨어를 개발했습니다. 그리고 우리는 합성된 10만개의 염기쌍을 갖는 11개의 조각 중에서 10개만 완전하게 정확하고 생명을 형성하는 염기서열과 호환성을 가짐을 알아냈습니다. 우리는 문제가 있는 하나의 조각을 찾아내어 염기서열을 분석했고, 필수 유전자 중에서 1개의 염기쌍이 삭제된 것을 발견했습니다. 그래서 정확성은 필수 입니다. 게놈에는 심지어 단 하나의 오류도 허용되지 않는 부분이 있습니다. 반면, 우리가 워터마크를 해두기 위해 큰 DNA블록을 넣었던 부분처럼 여러 가지 오류들이 허용되는 부분도 있습니다. 그래서, 대략 3개월 동안 오류를 찾고 고쳤습니다. 그리고, 어느 날 이른 아침, 오전 6시, Dan으로부터, 이제 처음으로 푸른 색 군체가 만들어졌다는 문자를 받았습니다.

여기까지 오기 위한 여정은 정말 길었고, 15년이라는 세월이 흘렀습니다. 우리가 느끼기에, 이 분야에서의 기본원칙 중 하나는 자연 상태의 DNA와 인공 DNA를 확실하게 구분할 수 있도록 해 두어야 한다는 것이었습니다. 당신이 과학의 새로운 분야를 연구한다면, 당신이 성취하지 않은 것을 성취한 것이라고 착각하게 만들고 심지어 다른 사람들까지도 그렇게 믿게 만들지도 모를 모든 잠재적 위험을 연구초기 단계에서부터 고려해야 합니다. 따라서, 우리가 생각한 최악의 문제는 바로 자연상태의 염색체에서 발생한 단일 분자의 오염이, 실제로는 단순히 오염된 것일 뿐이지만, 우리가 합성 세포를 만들었다고 믿게 만들 수 있다는 사실 입니다.

그래서 초창기에 우리는, DNA에 워터마크를 넣어 그 DNA가 합성이라는 사실을 확인 할 수 있는 방법을 개발했습니다. 그리고 우리가 2008년에 처음 만든 500,000 염기쌍을 가진 염색체에는 그 염색체를 만든 제작자의 이름을 유전 암호에 포함시켰습니다. 그러나 이것은 단지 아미노산을 이용하여 특정한 알파벳 문자를 남겨두는 한 글자 짜리 부호였습니다. 그래서 우리 연구진은 유전암호안에 들어갈 새로운 암호체계를 만들었습니다. 즉, 이것은 DNA에 메시지를 쓰고 해석할 수 있는 새로운 암호체계입니다. 오랫 동안, 수학자들은 유전 암호 안에 메시지를 숨겨왔습니다. 하지만 그들은 수학자이지, 생물학자는 아니었습니다. 왜냐하면, 수학자들이 개발한 암호체계를 이용해서 긴 메시지를 쓴다면, 알 수 없는 기능을 가진 단백질이 합성되는 결과를 초래할 수도 있기 때문입니다.

그래서, Mike Montague와 그의 팀이 개발한 암호체계는 반복해서 끊어지는 코돈을 삽입하는 것입니다. (코돈;유전정보의 최소단위) 따라서, 이것은 다른 부호이지만, 우리는 모든 영어 알파벳과 숫자 그리고 기호들을 사용할 수 있었습니다. 4개의 중요한 워터마크가 1000개가 넘는 염기쌍의 유전 암호 형태로 들어 있습니다. 첫 번째 것은 사실 나머지 유전암호들을 해석할 수 있는 코드를 가지고 있습니다. 워터마크에 있는 나머지 정보들에는 염색체 제작자들 46명의 이름과 이 프로젝트를 여기까지 올 수 있도록 한 주요 후원자들의 이름을 담고 있습니다. 또한 우리는 웹사이트 주소를 첨부해 만약 누군가가 유전암호 속의 암호체계를 해독한다면 그 주소로 이메일을 보낼 수 있도록 했습니다. 따라서, 이것은 46명의 이름과 웹사이트 주소를 가지고 있다는 점에서 다른 종과 뚜렷하게 구분됩니다. 우리는 또한 3개의 인용구를 추가했습니다. 왜냐하면, 첫 번째 유전자에서 우리는 뭔가 좀 더 심오한 문장을 넣지 않았다는 이유로 비난 받아 왔기 때문입니다.

그래서, 나머지 코드는 제외하고, 3개의 인용구를 말씀 드리겠습니다. 첫 번째 것은, "살지어다. 과오를 범할지어다. 타락할지어다. 승리할지어다. 그리고 삶속에서 삶을 재창조할지어다." 제임스 조이스의 인용구 입니다. 두번째 인용구는 "사물을 있는 그대로 보지말고, 보이는 것과 다를지도 모른다고 생각하라." 이것은 "American Prometheus"라는 로버트 오펜하이머의 전기에서 인용한 것입니다. 마지막은 리처드 파인만의 인용구 입니다. "내가 창조하지 못하는 것은 내가 이해할 수 없는 것이다." 이것은 과학의 진보 못지 않게 철학적 진보이기도 하며, 우리는 철학과 과학, 양면 모두를 고려하려고 노력했습니다.

질문을 받기 전 마지막으로 하고 싶은 말은 우리가 해낸 많은 노력, 기술적인 부분 뿐만 아니라, 윤리문제의 검토를 통해서 한계를 뛰어넘는 문제는 과학계와 정책 공동체 그리고 연방정부의 가장 높은 단계에서까지 광범위하게 논의되었습니다. 심지어 이 발표도, 2003년에 있었던 미국 에너지부 지원의 연구결과 발표때와 마찬가지로, 백악관에서 이 연구결과를 검토한 후에, 기밀화할지, 발표할지를 결정했습니다. 그리고 그들은 공개 발표로 결론을 지었으며, 올바른 선택이라고 생각합니다. 우리는 백악관에 연구결과를 보고했고, 의원들에게도 보고했습니다. 우리는 과학 발전에 수반하는 정책적 문제의 해결을 위해 동등한 노력을 했습니다.

그럼 이제 질문을 받겠습니다. 네, 저기 뒤에 있는 분.

리포터: 이 연구가 얼마나 중요한지 쉬운 말로 설명해줄 수 있습니까?

Craig Venter: 우리가 이 실험이 얼마나 중요한지 설명해 줄 수 있냐고요? 우리가 이 실험이 얼마나 중요한지 설명하는 적임자인지 모르겠습니다. 이 연구는 우리에게 매우 중요합니다. 이것은 아마, 생명을 어떻게 바라볼 것인가에 대한 중대한 철학적 변화일 것입니다. 15년 전에 생명을 이해하는 기초단계에서 우리가 하고 싶어했던 실험들을 할 수 있게 되기까지 15년이란 세월이 흘렀고, 이제 막 걸음마를 시작하는 단계로 보고 있습니다. 그러나, 우리는 이 연구결과가 아주 강력한 도구가 될 것이라고 믿습니다. 우리는 이미 이 도구를 사용할 수 있는 다양한 시도를 시작했습니다.

우리 연구소는 이미 미국 국립 보건원으로부터 지원을 받아 Novartis 제약사와 연구 프로그램을 진행 중이며, 이 프로그램의 목표는 새로운 DNA 합성 기술을 이용해 독감백신을 개발하는 것이고, 내년에는 아마 접종할 수 있을 겁니다. 왜냐하면, 몇 주 혹은 몇 개월이 걸리는 과정을 Dan의 연구진은 이제 24시간이면 충분하기 때문입니다. 신종플루(H1N1) 백신 개발이 얼마나 오래 걸렸는지를 보면, 우리는 상당한 시간을 아낄 수 있을 것 입니다. 백신 분야에서는, Synthetic Genomics사와 우리 연구소는 새로운 백신 회사를 만들고 있습니다. 왜냐하면, 이 새로운 도구를 통해 해결하지 못했던 빠르게 진화하는 바이러스의 백신도 만들 수 있습니다. 예를 들면, 코감기 바이러스 입니다. 일반 감기를 막는 것이 있으면 좋지 않을까요? 더 중요한 것은 에이즈 바이러스(HIV)로, 바이러스가 너무 빨리 진화해서 현재 생산되는 백신으로는 바이러스의 진화를 따라잡을 수 없습니다.

그리고, Synthetic Genomics사에서 우리는 중대한 환경 문제에 대해 일해왔습니다. 최근 멕시코만 기름 유출을 참고 하시면 될 것 입니다. 이산화탄소(CO2)는 눈에 보이지 않습니다. 그래서 우리는 과학적 측정을 통해서 이산화탄소를 너무 많이 배출하고 있다는 결론을 내립니다. 지금 멕시코만의 바다를 떠다니고 해변을 오염시키고 있는 것이 이산화탄소의 전신입니다. 우리는 석유를 대체할 수 있는 것이 필요합니다. 우리는 Exxon Mobile사와의 연구계획이 있고, 새로운 조류를 개발해서 이산화탄소를 대기나 농축된 근원에서 효과적으로 잡아내고, 정제할 수 있는 새로운 탄화수소를 만들어 이산화탄소(CO2)로 부터 휘발유와 디젤연료를 만들고자 합니다.

이것들이 우리가 진행중인 몇몇 방향의 예시 입니다.

(박수)