10.

무한히 많은 종류가 있을 수 있으므로 그 결과 만들어지는 DNA의 종류도 무한히 많을 수 있다. 생물에 무수히 많은 종류의 유전자가 있을 수 있는 것은 DNA의 종류가 무수히 많을 수 있기 때문이다.

첫째의 기능, 즉 자신과 똑간츤 DNA를 만드는 기능을 DNA복제라고 하는데, 새 DNA를 만들 때 DNA의 2중 나선이 풀려서 2개의 외가닥 나선이 되고 각각의 외가닥 나선위에 뉴클레오티드가 와서 붙는다. 이때, 외가닥 나선의 A가 있는 곳에는 화학구조의 특징으로 말미암아 반드시 T가 붙게 되고, G가 있는 곳에 C가 붙게 된다. 이렇게 A-T와 G-C의 짝짓기가 이루어지면, 원래의 뉴클레오티드와 새 뉴클레오티드 간의 결합이 이루어지고 이에 따라 새 사슬이 형성되면서 새 2중 나선이 만들어진다. 따라서 하나의 2중 나선에서 2개의 2중 나선이 생기게 된다. 그리고 새 2중 나선의 염기 배열 순서는 모체인 2중 나선에서의 염기의 배열순서와 똑같게 되는 것이다. DNA의 종류, 즉 유전자의 종류는 염기의 배열순서에 의하여 결정되는 것이므로 염기의 배열순서가 똑같은 새 2중 나선이 2개 형성된 것은 유전자의 정확한 복제인 것이다. 세포가 분열할 때는 DNA의 2중 나선이 위와 같이 풀려서 각각의 외가닥 사슬이 분열된 두 세포에 하나씩이 들어가서 거기서 새 2중 나선을 만들게 되므로 2개의 새 세포는 그 어버이 세포와 똑같은 유전자를 가지게 된다. 이와같이 세포는 몇 번을 분열하여도 언제나 똑같은 유전자를 가진, 똑같은 세포가 되는 것이다. 이것은 A-T와 G-C의 충실한 짝짓기에 의해서 가능하게 된다. 한 개체가 생식을 통하여 자손을 만들 때에도 세포의 분열시와 마찬가지로 자손에게 물려진 어버이의 DNA가 그 자손의 체내에서 충실한 복제를 함으로써 어버이의 유전형질을 그대로 물려받은 새 개체가 만들어지게 된다. 유전자의 둘째기능인 유전형질의 발현은 상당히 복잡한 과정을 거친다. 유전형질은 단백질에 의해 나타난다는 사실이 입증되었다. 즉, 어떤 특정 유전형질이라는 것은 어떤 특정 단백질의 존재를 의미하는 것이다. 단백질의 종류라는 것은 그 단백질의 구성 성분인 20종의 아미노산의 연결순서 또는 배열순서이기 때문에 유전자인 DNA가 특정 유전형질을 나타나게 하는 것은 특정 단백질의 아미노산 배열순서를 결정한다는 것을 뜻한다.

DNA가 단백질의 아미노산 배열순서를 결정하는 것은 먼저 DNA의 2중 나선의 일부분이 풀리고, 풀린 두 외가닥 사슬의 어느 한쪽 사슬에서 전령 RNA(mRNA)가 만들어진다. 이 mRNA는 DNA와 마찬가지로 염기-펜토오스-인산으로 된 뉴클레오티드의 기다란 연결체인데 펜토오스가 디옥시리보오스가 아니고 리보오스이며, 또 염기이 종류가 A,G,C 그리고 U(DNA의 T대신 U이다)인 점이 다르다. 또 DNA처럼 2중 나선이 아니고 외가닥 사슬로만 존재한다.

DNA의 한 쪽 가닥 위에서 만들어진 mRNA는 그 염기의 배열 순서가 DNA에 의하여 결정된다. mRNA에서는 DNA의 T 대신 U가 있기 때문에 DNA의 염기의 배열순서가 가령 ATCGGCAAT...라면 거기서 만들어지는 mRNA의 염기 배열순서는 UAGCCGUUA..와 같이 된다. 즉, mRNA는 DNA라고 하는 유전 정보를 충실히 반영한 음화라고 볼수 있다.(A-U, T-A, C-G가 서로 바뀜) 이 mRNA는 세포소긔 리보솜에 가서 자리를 잡으면, 또 하나의 RNA가 그 위에 와서 자리를 잡는다. 이 RNA는 아미노산을 운반하는 RNA라는 뜻에서 운반 RNA(tRNA)라고 하는데 그 종류에 20종이 있음이 알려져 있다. 이 tRNA는 그 분자의 한쪽에 아미노산을 달고 있는데 한 종류의 tRNA는 한 종류의 아미노산만을 달 수 있다. 아미노산을 운반한 tRNA가 mRNA위에 와서 닿으면 mRNA의 염기 배열 순서가 자신의 염기 배열순서와 짝지을수 있는 곳에 자리를 잡게 된다. tRNA의 20종은 제작기 다른 염기 배열순서를 가지고 있기 때문에 mRNA위의 짝지을수 있는 자리를 찾아 붙으면 20종의 아미노산들이 쭉 한줄로 늘어서게 되는데 이때 이 아미노산들의 늘어선 순서는 mRNA의 염기 배열 순서, 즉 DNA의 염기 배열 순서에 의해 결정된다. 이와 같이 늘어선 아미노산들은 서로 펩티드결합을 형성하여 단백질 분자가 되고 이 단백질 분자가 바로 생물의 유전형질이 된다.

DNA는 이와 같이 하여 단백질의 종류를 결정하고 합성함으로써 유전자로서의 기능을 나타내는 것이다. 바이러스 중에서 매우 적은 예외를 제하고 모든 생물의 유전자는 모두 DNA이다. 그리고 미생물에서 볼수 있는 약간의 예외를 제하고 DNA는 모두 2중 나선구조를 하고 있다. 세포 속에 핵이 뚜렷이 있는 세포를 진핵세포라고 하는데 이런 세포에서는 DNA는 핵속에 주로 많이 핵이 들어 있고, 극미량이 미토콘드리아와 엽록체 속에 들어 있다. 뚜렷한 핵이 없는 세포(주로 미생물의 세포)를 원핵세포라고 하는데 이런 세포에서 DNA는 세포질 속에 흩어져 있다.

DNA의 분자 구조는 1953년 미국의 J.D.윗슨과 영국의 F.C.크릭에 의해 해명되었다. 이 구조는 2중 나선구조로서 뉴클레오티드의 기다란 사슬 두 가닥이 새끼줄처럼 꼬여 있다. 이 구조는 마치 사다리를 비틀어서 꼬아 놓은 것과 같은 것이라고도 할 수 있는데, 가령 이 새끼줄과 같은 2중 나선을 똑바로 펴면 다음과 같은 구조가 된다. 여기서 A,G,C,T는 4종의 염기를 표시하고, S는 디옥시리보오스를 그리고 P는 인산을 나타낸다. 사다리의 두 다리는 디옥시리보오스와 인산의 연결(-S-P-S-P....)에 해당하고, 사다리의 발판은 두 다리에서 직각으로 뻗어나와 서로 마주보고 있는 염기에 해당한다고 할 수 있다.

위의 구조에서 A와T 그리고 G와C는 서로 짝을 이루고 있는데 그들 사이의 점선은 이 두 염기 사이에 형성된 약한 결합인 수소 결합을 의미한다. A와T 사이에는 두 곳에서 수소결합이 형성되어 있고, G와C사이에는 세 곳에서 형성되어 있다. 이 수소결합이 형성되어 있고, G와 C 사이에는 세 곳에서 형성되어 있다. 이 수소 결합으로 2개의 서로 마주 보는 염기가 붙들려 있으므로 사다리의 두 다리 또는 새끼의 두 가닥이 서로 붙들려 있게 된다. DNA의 2중 나선 구조에서 A는 반드시 T와 그리고 G는 반드시 C와 마주보고 있다. 그이유는 이 4종의 염기의 화학구조 때문인데 이렇게 짝지었을 때 비로소 두 가닥이 일정한 간격을 가지고 2중 나선 구조를 유지할 수 있는 것이다. 따라서, DNA를 그 성분 뉴클레오티드로 완전히 분해한 다음 4종의 염기의 함량비를 측정해 보면 A의 함량은 T와 똑같고 G의 함량은 C와 같다. 이 A-T, G-C의 짝짓기는 DNA가 유전자로서의 기능을 나타내는 데 매우 중요한 의미가 있다. DNA의 2중 나선 구조에서 나선의 한 바퀴 수직 길이는 3.4nm(1nm=1*10-m)이고 뉴클레오티드 10개가 나선 한 바퀴를 형성한다. 그리고 나선의 지름은 2nm이다.

복제동물을 만드는 방법은 의외로 간단하다. 좀 더 구체적인 방법은 돌리를 만드는 방법에서 소개했으며, 여기서는 체세포의 핵을 난자에 이식하는 방법을 그림으로 나타내 보았다. 모든 생명체의 정보는 DNA에 저장되어 있음은 모두가 알 것이다. 이러한 DNA는 염색체라는 상자(?)에 나누어져 있고, 이 들은 핵 안에 들어 있는데, 어느 세포에 있건 그 DNA는 모두 똑같다. 즉, 인간의 몸이 대략 4조에서 7조개의 세포로 이루어져 있다고 하는데, DNA 한 벌 모든 세포에 나누어져 있는 것이 아니고, 각 세포마다 한 벌씩 있으므로, 한 인간이 대략 4조에서 7조개 벌의 DNA를 가지고 있게 된다. 놀랍게도 이들은 이미 분화가 되어서 눈이나 귀, 위장 등으로 세분화된 기능만을 가지게 된 다음에도 원래 그들이 가지고 있었던 정보, 즉, 눈이나 귀, 위장 등으로 발달할 수 있는 정보를 모두 가지고 있다는 것이다. 따라서, 피부에 있는 하나의 세포에서 핵을 추출해 낸 다음, 여성의 난자의 핵을 제거하고, 여기에 피부에 있던 세포의 핵을 대체해서 넣을 경우, 핵을 준 사람과 완전히 같은 복제 인간이 탄생할 수 있다는 것이다.

위의 그림처럼 먼저 수정되지 않은 난자의 핵을 제거한 다음, 복제하고자 하는 동물의 체세포에서 핵을 분리해내다. 그 다음 전기적인 충격을 가하면 난자의 세포막을 통해 체세포의 핵이 들어가게 되고, 그렇게 되면 체세포를 준 개체의 DNA를 가진 새로운 개체가 생성되는 것이다. 그렇게 되면, 유전적으로 똑같은 환경을 가진 생명체가 인공적으로 만들어지게 되는 것이다.

최근에 일반인들이 생물학 및 생명공학에 관하여 가장 많이 접하는 말이 '게놈 프로젝트'일 것이다. 하지만, 이에 수반되는 기초 지식에 대해서는 언급하는 곳이 그리 흔하지 않은 것 또한 사실이다. 여기에서는 '게놈프로젝트'에 대한 전반적인 기초사항와 그 계획의 완료에 따른 영향을 살펴보고자 한다.

얼마 전에 우리 나라를 방문했던 '제 3의 물결'의 작가 앨빈 토플러는 다음 '제 4의 물결'은 인터넷을 이용한 디지털과 생명공학에 의한 혁명이 될 것이라고 예측했다. 20세기 기계, 전자분야 등 기술문명의 발달은 우리의 삶 자체를 바꾸어 놓았을 뿐 아니라 생물학의 기반마저도 뿌리 채 바꾸어 놓았다. 예를 들어, 각 생물 조직의 관찰이 가능한 초정밀 전자 현미경의 등장은 세포의 조직 관찰에 머물렀던 생물학을 염색체의 구조뿐 아니라 분자의 구조마저 파악할 수 있게 하였으며, 각종 정밀분석 기기의 발달은 우리에게 익숙지 않은 ng(10-9g) 단위의 물질을 다룰 수 있는 힘을 주었다. 이에 힘입어 과학자들은 과거와는 다른 방식으로 접근하여 생물체를 이루는 분자적인 구조에까지 그 연구범위를 넓히게 되었다.

생물학은 1953년 왓슨과 크릭이라는 두 젊은 과학자에 의해서 생물체의 유전 전달 물질인 DNA의 구조가 밝혀지면서 새로운 전기를 맞이하게 되었으며, 모든 생명현상이 DNA에 암호화되어 있는 유전자와 유전자에서 발현되는 단백질에 의해서 조절됨을 알고 유전자에 대한 연구가 진행되었는데, 특히 1983년 헌팅턴병(주1), 1987년 근디스트로피(주2) 등의 유전병을 일으키는 유전자가 실제로 확인된 후, 여러 가지 병(특히, 유전병)의 발생이 유전자의 변이에 의해 일어남을 알게 되면서 각 유전자를 만드는 암호가 담겨있는 DNA의 서열을 확인하려는 작업에 활기를 띄게 되었고, 이에 따라 생명체의 DNA의 서열을 모두 밝히려는 계획이 수립되었는데, 이것이 바로 '게놈프로젝트'이다.'게놈'이란 한 생명체가 가지고 있는 전체 DNA를 말하는 것이며, '게놈'이란 용어는 'gene'과 'chromosome'의 합성어인 'genome'을 독일식으로 발음한 것으로 우리 나라에서는 '유전체'라는 용어로 통일하여 사용하고 있다. 따라서 '게놈프로젝트'란 생명체의 DNA서열을 모두 밝혀내려는 것이다. 다만 여기서는 이 글의 성격상 '인간게놈프로젝트'를 '게놈프로젝트'라고 칭하겠다.

DNA의 서열을 밝힌다는 것은 DNA를 이루는 물질인 당, 인, 염기(주3)중 염기의 서열을 알아낸다는 것인데, 이는 DNA를 이루는 단위(nucleotide)에서 당과 인은 항상 같은 형태로 존재하는 반면 염기는 4가지의 다른 종류로 이루어져 있기 때문이며, 유전자의 특성은 각기 다른 염기의 서열에 의해 결정된다. 따라서 DNA상의 염기 서열을 밝혀내는 사업을 궁극적으로 '게놈프로젝트'라 할 수 있다.'게놈프로젝트'는 다양한 생물체에 대해서 연구 중에 있다. 1995년 감기 바이러스인 'H. influenza'의 게놈프로젝트가 완료된 것을 시점으로 이미 37종의 미생물체에 대한 게놈 프로젝트가 끝난 상황이며, 현재 가장 관심을 끌고 있는 '인간게놈프로젝트'는 1990년 미정부 산하 기구인 '미보건원'과 '미에너지성'에서 자본을 대고, 미국, 일본, 영국, 프랑스 등의 국가에서 국제적인 협의 하에 공동연구로 진행되었으며, 2005년까지 완료를 목표로 한 개의 염기 서열당 1달러씩 30억달러에 해당하는 투자계획을 수립하였으나, 최근에 미국의 벤처기업인 셀레라의 등장으로 경쟁이 가속화되어 올해 안에 조기완료하기에 이르렀으며, 이 계획을 통해서 얻어지는 모든 정보를 공개하기로 하였다. 일부 염색체의 서열은 이미 발표되었는데, 인간이 지니고 있는 23개의 염색체 중 22번 염색체는 이미 분석작업이 종료되었으며, 5, 16, 19번 염색체에 대한 분석작업은 다음달에 완료될 예정이다. 하지만, 이러한 분석 작업으로 올해를 기점으로 모든 서열을 완벽하게 아는 것은 아니고, 군데군데 읽지 못한 부분이 있는 미완성 작으로 약 90%이상의 서열을 밝혀내는 것이며, 실제 완벽한 DNA 서열은 2003년에 다시 발표될 예정이다.

이와 같은 '게놈프로젝트'는 크게 두 가지 방법으로 이루어져 왔는데, 하나는 인간의 DNA를 10배로 준비해서 작은 단위의 절편으로 자른 다음, 이 절편들을 순서대로 맞추어 늘어놓고(과학자들은 염색체지도를 만든다고 표현한다)순서대로 서열을 읽는 방법과, 다른 하나는 인간의 DNA를 무작위로 자른 다음 무작위로 자른 절편의 서열을 무조건 읽은 후 그림 조각 맞추듯이 서열을 끼워 맞추는 방법이다. 미정부 주도의 '게놈프로젝트'는 전자의 방법으로 진행되었으나, 셀레라라는 민간 벤처 회사에서 슈퍼컴퓨터의 등장과 퍼킨엘머라는 회사에서 개발한 자동 DNA서열 분석기의 등장에 힘입어 후자의 방법을 사용하여 그 기한을 4년 가까이 앞당기게 되었으며, 이에 자극을 받은 미정부 주도의 게놈사업단 역시 초안(주4)의 발표기한을 앞당기기에 이르렀다. 그렇다면 이 '게놈 프로젝트'가 가져올 변화는 무엇일 것인가?

많은 이들이 여기에 대해서 궁금증을 가지고 있을 것이다. 우선 '게놈프로젝트'가 끝나게 되면 인간의 유전자를 암호화하고 있는 30억개의 염기서열로 만들어진 긴 DNA서열에 대하여 알게 되는데, 이 DNA서열이 모두 유전자를 암호화하고 있는 것은 아니고, 이들 중 약 5%가량만이 실제 유전자를 이루고 있는 암호들이므로, 과학자들은 이들 중 어느 부분이 유전자를 암호화하고 있는지를 확인해야 할 것이다. 그 다음으로 진행될 일은 DNA서열에 들어있을 약 10만개의 유전자에 대한 기능분석이다. 물론, 유전자들에 대한 기능분석은 전혀 이루어지지 않은 것은 아니고, 과거로부터 진행 중에 있는 상황이지만, '게놈프로젝트'가 종료되면, 거의 모든 암호를 알게 되므로 대량적인 분석이 가능하고, 이를 통해 유전자상호간의 연관성을 알아 낼 수 있을 뿐 아니라, 그 유전자에 의해 나타나는 산물의 변화마저 알게되므로 유전자 기능에 대한 연구는 가속화 될 수밖에 없다. 따라서, '게놈프로젝트'의 종료로 인간은 지금까지 인류의 불가침지역이었던 생명체의 신비가 담긴 상자를 열 수 있는 만능열쇠를 손에 거머쥐게 되는 것이다. 물론 이들의 모든 기능을 밝혀내는데는 약 20년 가까운 세월이 요구될 것이라고는 하나 '게놈프로젝트'의 완성이 앞당겨졌듯이 모든 유전자들에 대한 분석 역시 매우 앞당겨질 것은 자명한 일이다.

그럴 경우 인류는 지금까지와는 다른 새로운 세상을 맞이하게 될 것이다.암과 같은 각종 질병(특히, 유전병)의 퇴치는 물론이고, 대머리, 이상비만과 같은 외모를 조기에 치료할 수도 있을 것이며, 경찰은 범죄 현장에서 한 방울의 혈흔을 이용하여 범인을 색출해 낼 수 있을 것이고, 각 개인은 자신의 장기가 손상하였을 때를 대비하여 각 개인에게 맞는 장기를 인공적으로 만들어 놓을 수도 있으며, 감기 약을 지을 때조차 자신의 몸에 부작용이 없는 자신만의 약을 만들어서 복용하게 될 것이며, 장차 자신의 몸에 어떠한 병적 위험이 닥칠 것인지를 미리 알아서 이에 대비할 수도 있을 것이다. 특히, 지난달에 게놈 프로젝트가 끝난 쌀의 경우 각국에서 이미 알려진 서열을 바탕으로 연구를 통해 새로운 종을 내놓았는데, 각가지 색이 있는 것은 물론이거니와 특정 영양분이 많이 공급할 수 있도록 만든 쌀도 있다.

그렇다면, 과연 '게놈프로젝트'가 우리에게 위와 같은 청사진만을 줄 것인가?결론은 반드시 그런 것만은 아니라는 것이다. 미정부에서는 이미 이 문제에 대해서 '게놈프로젝트'의 총 사업비 중 5%를 투자하여 충분한 검증을 해 오고 있다. 특히, '게놈프로젝트'의 종료와 함께 더욱 활기차게 될 전망이나 아직 우리 나라에서는 이에 대한 논의가 미미한 실정이다. '게놈프로젝트'종료에 우려하는 주요 논제들은 윤리적, 법적, 사회적인 측면에서 폭넓게 나오고 있으며 이 중 주요 논제는 다음과 같다.

첫째, 얻어지는 유전정보를 이용한 개인 자료의 철저한 보호다. 이는 '게놈프로젝트'에 자신의 DNA를 분석용으로 제공했던 사람 뿐 아니라, 앞으로 밝혀지는 개개인의 정보로서, 개인의 신상을 위해서 반드시 보호되어야 한다. 실제 작년 미국에서 신입사원 채용이나, 보험가입시 유전적으로 간암을 일으킬 요인이 많을 것이라는 것을 안 회사가 고용 및 접수를 거부한 사례도 있었다. 또한 개인정보나 유전정보를 상업적으로 이용할 시에는 많은 윤리적인 논란거리가 제공될 것이다.

둘째, 정치적, 사회적 악용을 막는 것이다. 유전자간에 분명히 존재할 인종적 차이점을 이용하여 제 2의 인종차별이 나올 수도 있으며, 같은 민족간에도 계층이 형성될 우려가 있다.

셋째, 정상과 비정상 구분의 모호성이다. 유전적 다양성을 옳고 그름으로 판단하여, 다양성을 무시하고, 흑백논리로 발전해 버릴 가능성이 있다는 것이다.

넷째, 유전자의 무분별한 변형 및 향상이다. 예를 들어 사는데는 지장이 없으나 있을지도 모를 부작용을 감안하고 키를 크게 한다든지, 머리를 금발로 만든 다든지 하는 경우가 해당된다. 또한, 신체적인 병이나 문제점을 판단할 수 있는 기준마저 모호하며, 이는 국가별로도 매우 다양하다. 다섯째, 유전정보가 효용 있는 곳에 제대로 사용되는 가이다. 인류의 번영을 위해 사용되어야 할 유전정보가 생물을 살상하는 생물학적 무기개발에 이용되는 것을 들 수 있다. 여섯째, 유전자를 이용한 생물체 혹은 인류의 통제다. 이는 생물체의 행동과 생각을 유전자가 제어, 조절함으로 유전자를 조작 시 이를 이용한 특정 부류의 생명체와 인류의 통제할 수도 있다는 가능성이다.

위와 같은 문제점들은 다가올 바이오시대에 묵과해서는 안 될 심각한 문제점들로, 인류는 이에 대한 대비를 철저히 해야하고, 이러한 문제점들을 보완하여야 할 것이며, 인류의 번영을 위해 이 지식과 기술을 사용할 수 있는 힘이 갖추어 졌다고 확신을 가질 때야 우리가 이룩한 또 하나의 혁명을 누릴 수 있게 될 것이다.

(주1) 중, 장년 층에서 일어나는 뇌 및 중추 신경조직상의 퇴행성 질병(주2) 근 위축이나 운동기능 장애를 일으키는 유전병

(주3) 아데닌(A), 시토신(C), 티민(T), 구아닌(G)의 4종류가 있으며, DNA를 이루는 각 단위(Nucleotide)마다 하나씩 들어가 있다. (주4) 미정부 주도의 게놈프로젝트는 전체 DNA서열을 여러 차례 읽어 정확한 서열을 발표할 예정이었으나, 약 90%만 완료 후 그 결과를 조기 발표한다고 한다.