흔히 20세기가 물리학의 시대였다면 21세기는 생물학의 시대가 될 거라고들 한다. 잘 알려진 바와 같이 20세기 전반기는 물리학에서 상대성이론과 양자역학으로 대표되는 '혁명'이 진행된 시기였고, 물리학이 지닌 '힘'은 제2차 세계대전을 통해 원자폭탄이라는 극적인 형태로 표출되었다. 이는 대중의 뇌리에 과학이 지닌 힘의 상징으로 자리를 잡았고, 물리학은 전후 수십 년 동안 과학 내부의 위계에서뿐 아니라 대중적 이미지에서도 높은 지위를 누릴 수 있었다. 이는 규모가 매우 큰 입자가속기의 건설과 같은 고에너지 물리학의 거대과학 프로젝트에 대한 적극적인 지원을 가능케 한 원동력이기도 했다.

그러나 1950년대 초 DNA 이중나선 구조의 규명으로 촉발된 분자생물학의 급부상과 1970년대 DNA 재조합 기법의 개발에서 비롯된 생명공학의 발전은 20세기 후반 들어 과학계의 중심추를 생물학 쪽으로 옮겨 놓았다. 이러한 변화는 1970년대부터 '기초'연구에 대한 맹목적 지원보다는 '사회적 필요에 부합하는' 과학 연구의 중요성이 강조되면서 생의학(biomedicine) 분야에 대한 대대적인 지원이 전개된 사회 분위기의 변모와 무관하지 않다. 생명공학은 과학의 상업적 응용이 강조된 1980년대 이후의 흐름을 타고 빠른 속도로 발전해 왔고, 이러한 경향은 현재에도 지속되고 있다.

오늘날 생명공학은 한편으로 무병장수와 일확천금의 미래를 가져다 줄 21세기 첨단 과학기술의 대표주자 중 하나로 간주되곤 한다. 그러나 다른 한편으로 생명공학은 인간성의 상실, 자연질서의 교란, 사회문제의 악화를 초래할 수 있는 '나쁜 과학'의 대명사격으로 인식되고 있기도 하다. 그렇다면 이처럼 격렬한 찬반 논란에 휩싸여 있는 생명공학은 어떤 과정을 거쳐 오늘날의 모습을 갖게 되었을까? 이를 크게 3가지의 이론적, 실험적 발전을 중심으로 살펴보도록 하자.
 

DNA 이중나선 구조의 규명
 

1953년 4월에 미국의 생물학자 제임스 왓슨과 영국의 물리학자 프랜시스 크릭은 모든 생명체의 유전과 형질 발현에 관여하는 물질인 DNA의 이중나선 구조를 제안한 1쪽짜리 논문을 <네이처>지에 발표했다. 이 논문은 동료 과학자들 사이에서 즉각 그 중요성을 인정받았으며, 분자생물학의 역사에서 가장 중요한 사건 중 하나로 기록되었다. 그러나 당시 불과 25세와 37세에 불과했던 두 명의 젊은 과학자가 유전의 메커니즘과 DNA의 구조와 관련된 모든 사항들을 스스로의 힘으로 규명해 낸 것은 아니었다. 그들의 업적의 배경에는 그 이전까지 한 세기에 달하는 유전학과 생화학의 발전이 있었다.

1865년 오스트리아의 수도사였던 그레고르 멘델의 완두콩 실험은 대립형질의 유전에서 나타나는 통계적 법칙을 보여줌으로써 유전학의 기틀을 닦았다. 멘델은 자신의 유전법칙을 통해 유전 현상은 부모 세대에서 자식 세대로 어떤 '구별가능한 인자' ― 나중에 '유전자(gene)'로 명명된 ― 가 전달됨으로써 나타남을 암시했다. 멘델의 유전법칙은 1900년에 여러 명의 과학자들에 의해 '재발견'되었다. 1910년대에 미국의 생물학자 토머스 헌트 모건은 초파리 연구를 통해 초파리의 여러 특징들(눈 색깔과 날개 모양)이 유전자에 의해 전달되며, 유전자는 초파리의 염색체 위에 있음을 밝혀냈다.

이러한 연구들은 생물학자들 사이에서 유전자의 본성에 관한 논쟁을 낳았다. 과연 유전자가 물리적 실체인가, 아니면 생명 현상에 고유한 일종의 '조직 원리'인가 하는 문제가 그것이었다. 1927년 허먼 뮐러는 방사선을 쬔 초파리에서 돌연변이가 유발됨을 보임으로써 유전자가 일종의 물질적 실체라는 설득력있는 증거를 제시했고, 1935년 베를린에서 시작된 막스 델브뤽 등의 연구는 유전자가 상대적으로 안정된 고분자(macrololecule)로서 물리적·화학적 방법을 사용해 분석될 수 있음을 보여 주었다. 1937년 미국으로 건너온 델브뤽은 바이러스에서 인간에 이르는 모든 생명체의 기능과 생식을 설명하는 동일한 원리를 찾을 수 있다는 신념에 근거해, 박테리오파지(박테리아를 공격하는 바이러스)를 주된 연구대상으로 정하고 이를 위한 공동연구 집단인 '파지 그룹(Phage Group)'을 이끌었다.

1940년대 초에는 대다수의 생물학자들이 유전자는 단백질이라고 생각하고 있었다. 단백질은 세포의 많은 부분을 이루고 있으며, 생명체의 필수 대사작용에서 촉매 작용을 하는 물질이기도 하다. 그러나 1944년 미국 록펠러연구소의 오스왈드 에이버리는 인체에 무해한 박테리아를 유해한 감염성 박테리아로 바꿔놓는 형질전환 요인이 단백질이 아닌 디옥시리보핵산, 즉 DNA라는 사실을 밝혀냈다. 이러한 에이버리의 결론은 1952년 방사성 동위원소 추적자를 이용한 앨프리드 허시와 마사 체이스의 실험을 통해 재차 확증되었다. DNA가 유전물질임이 확인된 것이었다.

왓슨과 크릭이 DNA의 구조를 규명하는 데 착수한 것은 바로 이 시기쯤이었다. 그들은 DNA의 구조 규명에 있어서도 여러 과학자들의 연구로부터 도움을 받았다. 이때쯤에는 어윈 샤가프, 라이너스 폴링 등의 연구성과에 힘입어 DNA가 당과 인산, 그리고 아데닌(A), 구아닌(G), 시토신(C), 티민(T)이라는 네 개의 염기로 구성되어 있고 나선 구조를 이루고 있다는 사실이 이미 알려져 있었다. 왓슨과 크릭은 직접 실험은 하지 않았지만 물리화학자였던 로잘린드 프랭클린이 찍은 DNA의 X선 회절 사진을 입수할 수 있었고, 이런 모든 자료에 종합해 DNA의 이중나선 구조를 제안했다. 이 구조에 따르면 DNA는 당과 인산이 결합해 만든 두 개의 축이 서로 꼬여 있고, 이로부터 안쪽으로 튀어나온 염기가 아데닌은 티민과, 구아닌은 시토신과 각각 수소 결합을 하고 있는 형태였다. 왓슨과 크릭의 설명은 구조 자체만으로 DNA의 자기복제를 간단하게 이해할 수 있다는 단순성과 심미성의 측면에서도 많은 찬사를 받았다.

왓슨과 크릭은 1953년 5월에 발표된 후속 논문에서 배열된 염기의 순서(ACGGT...)가 바로 유전의 '암호'라고 암시했다. 이러한 문제의식에서 출발해 DNA의 염기 순서가 어떻게 생물체를 구성하고 대사를 조절하는 단백질 합성을 지시하는가 하는 유전암호를 해독해낸 것은 1960년대 말의 일이었다. 이에 따르면 염기들은 3개를 한 단위로 해서 ― 이러한 단위를 '코돈(codon)'이라 부른다 ― 각각이 단백질을 구성하는 20가지 필수 아미노산 중 한 가지의 합성을 지시한다. DNA 위에 있는 이러한 염기의 배열은 리보핵산(RNA)으로 전사(轉寫)된 후 이것이 다시 특정 단백질을 구성하는 일련의 아미노산 합성을 지시하게 된다.

DNA 구조 규명과 유전암호의 해독은 고전 분자생물학의 완성을 가져왔다. 유전물질의 구조와 기능, 그리고 복제 메커니즘이 규명되어 이제 분자생물학자들은 유전자의 기능을 분자적인 수준에서 탐구할 수 있게 되었다. 이러한 탐구에 크게 힘을 실어 주면서 분자생물학의 실제적 응용을 촉진한 것이 바로 DNA 재조합(recombinant DNA) 기법이었다.
 

DNA 재조합 기법의 등장과 대중적 논쟁
 

DNA 재조합 기법이란 생물체의 DNA 중 일부를 잘라내어 이를 다른 생물체에서 잘라낸 DNA와 이어붙여 새로운 DNA를 만드는 기법을 말한다. 이렇게 만든 '재조합 DNA'는 특정 종(種)의 DNA를 다른 종의 세포로 옮겨넣는 데 사용할 수 있다. 엄밀히 말한다면 이는 과학이 아니라 기술의 영역에 속한다. 그러나 DNA 재조합 기법은 분자생물학의 지식을 인간에게 유용한 산물을 만드는 데 응용할 수 있도록 해주었을 뿐 아니라 분자생물학의 새로운 연구에도 큰 도움을 주었다.

과학자들은 박테리아와 박테리아 사이, 혹은 박테리아와 박테리오파지 사이의 DNA 교환을 보면서 DNA 재조합 기법의 힌트를 얻었다. 바이러스는 스스로는 증식할 능력이 없으며 반드시 살아 있는 다른 세포를 이용해야 하는데, 가령 박테리오파지는 박테리아 내부로 자신의 DNA를 주입해 박테리아의 DNA에 달라붙게 함으로써 자신에게 필요한 DNA와 단백질 껍질을 만든다. 과학자들은 다른 세포를 '감염'시키는 이러한 바이러스의 능력을 이용해 주어진 세포에 새로운 유전자를 주입하려 하였다. 그러나 이를 위해서는 먼저 DNA에서 원하는 특정 부위를 잘라내고 이를 바이러스의 DNA와 이어붙일 수 있는 방법을 알아내야 했다.

제한효소(restriction enzyme)가 바로 그러한 수단을 제공해 주었다. 제한효소는 박테리아가 박테리오파지와 같은 외래 DNA의 침입에 대항하기 위해 분비하는 효소인데, DNA를 특정 부위에서 자르는 일종의 '분자 가위'로서의 역할을 한다. 1970년에 베르너 아르버와 해밀턴 스미스는 제한효소를 발견하고 이를 분리해 내는 데 성공했고, 1972년에는 폴 버그가 이끄는 연구팀이 박테리아 유전자와 원숭이 바이러스를 재조합한 새로운 DNA 분자를 만들어냈다. 이어 1974년에는 허버트 보이어와 스탠리 코헨이 박테리아에 있는 원형 DNA 분자인 플라스미드(plasmid)를 이용해 두꺼비의 DNA를 박테리아에 집어넣고, 이렇게 '이식'된 DNA가 RNA로 전사될 수 있음을 보여 주었다. 즉, 고등동물의 단백질을 박테리아를 써서 합성해낼 수 있는 가능성이 열린 것이었다.

DNA 재조합 기법의 도입은 생명을 '조작'할 수 있는 전례없는 수단을 제공했다는 점에서 많은 과학자들을 흥분시켰다. 그러나 이와 동시에 DNA 재조합 기법을 통해 전에 없던 새로운 병원체가 만들어져 공공보건에 심대한 위협을 가할 수 있다는 우려가 제기되었다. 과학자들은 이러한 위험을 스스로 알리고 <사이언스>와 <네이처> 등에 서한을 보내 자체적인 일시적 연구중단(moratorium)을 호소했다. 이어 1975년 2월에는 미국 캘리포니아 주 아실로마에서 학술회의를 열어 DNA 재조합의 위험성을 최소화하기 위한 구체적인 방안을 논의했고, 이듬해 1월에는 미국 국립보건원(과 다른 나라의 유사한 기구들)이 아실로마 회의의 권고안에 근거해 DNA 재조합 실험을 규제하는 규칙을 제정했다.

그러나 DNA 재조합을 둘러싼 논쟁은 여기서 그치지 않았다. DNA 재조합은 새로운 병원체의 위험성을 둘러싼 과학자들간의 의견대립에서 그치지 않고, 새로운 연구 기법의 함의를 둘러싼 대중적인 논쟁으로 확산되었다. 미국의 일부 지역에서는 DNA 재조합 기법에 대한 반대가 위험성이 높은 실험을 수행하는 유전공학 실험실의 신규 건설을 저지하는 운동으로 발전했다. 더 나아가 과학자들이 종들간에 유전자를 뒤섞어 '새로운 생명 형태'를 만들어내는 것 ― 다시말해 과학자들이 '신 노릇(playing God)'을 하는 것 ― 에 대한 윤리적 반대가 나타났고, 이러한 기법이 인간에 응용되어 유해한 우생학적 실천을 낳을지 모른다는 우려도 아울러 제기되었다. 그러나 1970년대 후반 이후부터는 새로운 연구 기법에 대한 과학자들의 지지와 유전공학을 통해 얻어질 수 있는 상업적 이득에 대한 기대가 반대의 목소리를 압도하기 시작했다. 유전공학에 대한 반대가 한풀 꺾인 것은 DNA 재조합의 위험성을 과학자들이 잘 관리해 나갈 수 있음을 보여줌과 동시에, 유전공학이 가져올 수 있는 장밋빛 미래(의약품으로 쓰이는 단백질의 대량생산, 뿌리혹박테리아를 이식해 스스로 질소고정을 하는 작물, 인간의 유전병 치료)를 그려낸 것이 크게 작용했다. 1980년대 들어 DNA 재조합에 대한 규제는 약화되고 세계는 본격적으로 생명공학의 시대로 진입했다.

생명공학은 초기부터 상업화의 양상을 강하게 띄었다. DNA 재조합 실험을 최초로 성공시킨 보이어와 코헨은 1976년에 제넨텍(Genentech)이라는 생명공학 기업을 설립했는데, 이 회사는 1978년에 당뇨병 치료에 쓰이는 인슐린을 DNA 재조합 박테리아를 써서 만들어냈다고 발표함으로써 성가를 드높였다. 제넨텍 이후 이를 모델로 한 수많은 생명공학 기업들이 우후죽순처럼 생겨났고, 이러한 경향은 대학 연구의 상업화를 돕기 위해 미 의회가 1980년에 베이-돌 법(Bayh-Dole Act)을 제정하고 같은 해 대법원 판결을 통해 미 특허청이 살아 있는 생물체에 대한 특허를 허용하면서 더욱 강화되었다. 생명공학 기업들은 유전공학 기법을 써서 만들어낸 새로운 공정이나 생물 형태, 심지어 유전자에 대한 특허까지도 경쟁적으로 출원했고, 이는 생명의 상품화를 우려하는 반대자들의 목소리를 낳고 있다.
 

복제, 무성생식 기술의 정점
 

복제, 즉 클로닝(cloning)은 살아 있는 생명체와 유전적으로 동일한 '복사본'을 만드는 것을 말한다. 식물의 경우 이는 줄기나 가지를 꺾어 접붙이기를 하면 쉽게 얻을 수 있다는 사실이 이미 고대부터 알려져 있었다. 그러나 유성생식을 하는 고등동물의 경우 이를 성취하기란 쉽지 않았다. 1920년대 후반에 독일의 발생학자 한스 스페만은 핵을 제거한 도롱뇽의 난자에 도롱뇽 배아의 핵을 삽입해 일종의 동물 복제를 성공했다고 발표했다. 이후 이와 똑같은 과정을 다 자란 성체 동물에 대해서도 적용할 수 있을 거라는 희망섞인 예측이 나오기도 했으나, 이러한 시도는 번번이 실패했다. 1951년 미국의 로버트 브릭스와 토머스 킹은 개구리의 배아 세포를 이용한 복제에 성공했으나, 좀더 분화된 세포로부터 나온 핵을 이용했을 때는 실패했다. 이는 다른 연구팀에서 나온 비슷한 연구결과와 맞물려, 성체 동물의 복제는 불가능하다는 인식을 강화시켰다.

이러한 인식을 뒤집어 놓은 것은 1990년대 중반 스코틀랜드 로슬린 연구소의 이언 윌머트 연구팀이었다. 윌머트는 '적절한 조건'에서 핵을 채취하는 것이 성체 동물에 대한 복제의 성공을 좌우하는 관건이라고 믿었다. 이를 위해 같은 연구팀의 키스 캠벨은 세포를 저영양 상태에서 배양함으로써 휴지기인 G0 상태로 만드는 방법을 고안해 냈다. 그들은 이 방법을 써서 6살난 암양의 유선(乳腺) 세포의 핵을 빼낸 후 핵을 제거한 난자에 이식하였고, 277번의 실패 끝에 1996년 7월 '돌리'라고 이름붙인 복제양을 출산시키는 데 성공했다.

동물복제는 DNA 재조합과 같은 유전공학의 기법과 함께 적용했을 때 가장 유용성이 커진다. 윌머트 자신이 애초에 동물복제에 나서게 된 배경도 이른바 "분자 농장(molecular farming)", 즉 동물의 유전자를 조작해 혈액응고제처럼 인간이 필요로 하는 단백질을 생산하게 하는 과정의 효율을 증진시키기 위해서였다. 이와 같은 동물은 배아 단계에서 인간의 유전자를 삽입하는 방식으로 만들어지지만, 정작 태어난 유전자조작 동물 중에서 원하는 단백질을 발현시키는 것은 5%에 지나지 않았다. 그러나 일단 유전자조작에 성공한 동물을 복제할 수만 있다면, 이러한 전 과정의 효율이 비약적으로 향상될 거라는 것이 윌머트의 생각이었다. 생명공학 기업인 PPL 쎄러퓨틱스(PPL Therapeutics)가 윌머트의 연구를 후원했던 이유도 바로 여기에 있었다.

1997년 2월에 <네이처>에 발표된 돌리의 탄생은 즉각적으로 엄청난 반향을 불러왔다. 이는 곧 인간의 개체복제로 이어질 수 있는 가능성을 제시해 준 것으로 여겨졌기 때문이다. 일반대중은 앨버트 아인슈타인 같은 위대한 과학자뿐 아니라 아돌프 히틀러 같은 독재자의 복제를 떠올리며 전율했고, 세계 각국의 언론은 다섯 명의 마이클 조던으로 구성된 농구팀, 미국의 건국 시조들을 복제해 '살아 있는 역사'를 보여주는 테마파크 등에 관한 가십성 기사들을 앞다투어 실었다. 돌리 탄생에 뒤이어 세계 각국의 정부와 국제기구들은 인간의 개체복제를 금지하는 법안 마련에 나섰고, 일부 국가들은 모든 종류의 인간복제를 금지하는 법을 만들기도 했다. 그러나 1998년 이후 줄기세포 연구가 급부상하면서 인간복제는 배아줄기세포 연구에 대한 응용가능성으로 다시한번 주목받게 되었다. 복제된 인간 배아로부터 줄기세포를 추출해 면역거부반응이 없는 대체 세포나 장기를 앞으로 언젠가 만들어낼 수 있을지 모른다는 낙관적 예측이 등장했기 때문이다. 이로부터 파생된 인간 '배아'복제를 둘러싼 논쟁은 지금 이 시간에도 지구촌을 뜨겁게 달구고 있다.
 
 
 
 

출전: <OK논구술.net> 2006년 4월호