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서울공대 이야기

생명복제기술의 현황과 전망

2004.07.23 06:39

lee496 조회 수:8129

 

생명복제기술의 현황과 전망

황 우 석

서울대학교 수의과대학 교수


생명복제과정과 기술개발 역사

생명체의 복제는 20세기 과학사 가운데 최대 사건중의 하나가 될 만큼 큰 사안 이었다. 그러나 이에 대한 과학적 접근보다는 일부 측면의 지나친 부각과 함께 인간 복제에의 연계 등 발전적 논의가 오히려 차단되고 있는 상황이다.

복제기술이 개발되기 전까지는 암수 생식세포 간의 결합(수정)에 의해서만 정상적인 개체발생이 가능한 것으로 알려졌으나 최근 세포융합 또는 세포 직접주입과 같은 체세포 핵이식 기술이 발전하면서 생명체의 복제가 본격적으로 이루어지고 있다. 복제기술은 그림1과 그림2에서와 같이 생식세포 복제와 체세포 복제로 나눌 수 있다. 생식세포 복제란 암컷의 난자와 수컷의 정자가 결합하여 이루어진 수정란의 분할과정에 있는 난세포(할구)를 공여핵 세포로 이용하는 것이다. 이는 현존하는 생명체의 복제기술이 아니고 향후 태어날 생명체를 복제하는 것으로 일란성 쌍둥이 또는 일란성 다둥이 생산과 같은 의미이다.

이에 비해 체세포 복제는 현존하는 생명체의 몸을 이루고 있는 세포(체세포)를 공여핵세포로 하는 진정한 생명복제기술이라 할 수 있다. 복제하고자 채취한 체세포는 몇 단계의 준비과정을 거쳐 복제에 적합한 상태로 유도한다. 그리고 현재까지는 인공난자 제조기술이 개발되지 않았기 때문에 복제과정에서 필수적인 난자는 동물의 난소에서 채취하여 이용한다. 난자에서 핵을 제거한 후 복제용 세포를 이곳에 주입한다(핵이식). 그 후 세포융합과 인큐베이터에서의 체외배양 과정을 통해 복제난자로 발육시키고 대리모의 자궁에 주입, 임신 과정을 거쳐 복제 생명체가 태어나게 된다. 이와 같은 체세포 복제는 수정과정이 없이도 생명체를 탄생시킬 수 있기에 바로 신의 영역에 도전하는 행위라는 논란을 불러일으키기도 한다.

이 중 생식세포 복제는 1983년 맥그라스와 솔터라는 과학자가 생쥐를 복제한 이후 윌라슨이 1986년 면양을 복제하는 등 각종 동물에서 성공 예가 이어졌다. 그러나 1997년 2월 23일 복제양 돌리가 체세포 복제기술에 의해 탄생 되었다는 발표가 나오면서 생식세포 복제는 더 이상의 설자리를 잃고 체세포 복제에 그 자리를 내주게 되었다. 돌리 이후 각국에서는 생쥐, 소 등의 복제가 뒤 따랐고 우리나라에서도 1999년 복제 젖소 영롱이와 한우 진이가 탄생되면서 복제기술에 관한 한 선진국 대열에 동참하여 치열한 경쟁을 벌이고 있다. 드디어 2000년에는 어렵다는 돼지의 복제에도 성공하였고, 인간에게 장기를 제공하기 위한 유전자 적중 돼지도 2002년 7월 복제되어 세상을 놀라게 했다. 우리나라에서도 2002년 8월 형질전환 복제돼지가 태어나 선진국의 뒤를 바짝 쫓고 있다. 동시에 각종 암이나 치매, 당뇨병과 같은 난치성 질병을 극복할 수 있는 치료용 세포 생산에의 길에도 바짝 다가서고 있다. 또한 2002년 2월에는 한국인 과학자 신태영 박사의 주도 하에 고양이 복제에도 성공하여 복제기술의 영역이 점차 외연을 넓혀가고 있다. 아울러 이종간(異種間) 복제도 국내 연구진에 의해 그 가능성이 확인되어 복제기술의 적용영역은 그 한계가 어디까지일까 예측할 수 없을 정도로 확대, 심화되고 있다.

 

그림1 생식세포 복제과정

 

그림2 체세포 복제과정


생명복제과정

생명복제기술의 실용성을 이해하기 위해서는 복제 과정에 대한 대강을 알아야 할 것이며 이를 간략하게 설명하면 다음과 같다. 생명체 복제과정은 그림2에서와 같이 수핵 세포질(난자)과 공여핵 세포의 준비, 핵이식, 난자 활성화와 리모델링, 리프로그램밍, 복제 수정란의 배양, 대리모 이식 등의 단계를 거치게 된다.


수핵 세포질의 준비

수핵 난자는 복제 대상이 되는 체세포를 받아들여 생명체로 발육시키는 배지와 같은 역할을 하며 현 단계의 기술로서는 인공난자를 제조할 수 없어 생체에서 채취한 난자를 이용하고 있다. 생체 또는 도축된 동물로부터 얻은 미성숙 난자를 인큐베이터에서 배양시켜 성숙 난자로 만들고 이로부터 세포질 일부와 함께 핵을 제거하여(탈핵), 주입하는 체세포와 융합할 수 있는 상태로 유도한다. 최근에는 탈핵의 간편화와 핵이식 효율의 증진을 위해 투명대를 절개한 후 곧바로 squeezing하여 극체 및 그 주변 세포질을 제거하는 방법이 적용되고 있다.


공여핵 세포의 준비 및 핵이식

체세포를 이용한 핵이식 복제기술에서는 세포의 리프로그램밍이 장시간이 요구되며 이미 분화된 세포를 G-0기로 조절해서 이용하는 방법이 주로 적용되고 있다. 돌리를 탄생시킨 로슬린 연구소팀이 바로 이 기술을 개발하였으며 이들은 배양액 중 혈청 농도를 일반적인 수준보다 20배 정도 희석하는 혈청 기아배양 기술을 적용하여 세포시계를 일종의 휴지 상태인 G-0기로 유도할 수 있었다. 공여핵원 세포를 수핵 난자의 세포질 내에 이식하는 방법은 세포 융합법과 세포질 내 직접 주입법으로 나눌 수 있다. 세포 융합법은 핵이식 후 화학물질에 노출, 불활화 된 센다이 바이러스 주입, 전기자극 등의 방법이 있으나 간편성과 재현성을 감안, 전기자극법이 주로 이용되고 있다.


난자 활성화

난자가 정자와 결합하여 이루어지는 자연수정에서는 정자로부터 특정 성분이 작용하여 난자를 활성화시켜 난분할 등 생명체 탄생의 길을 걷게 된다. 체세포 복제에서도 자연수정에서 이루어지는 것과 같은 난자의 활성화 과정이 있어야만 정상개체 발생이 가능하기 때문에 인위적으로 난자의 활성화를 유도해야 한다. 이때 이용되는 방법으로 전기자극법이나 칼슘이온과 단백질 합성억제제의 병용처리법 등 몇 가지 기술이 동원된다. 이와 같은 난자 활성화 유도조처는 핵이식란의 융합 전 또는 후 활성화 등 시기에 따라 상이한 성적을 나타낸다.


리프로그래밍

리프로그래밍이란 일반 수정란에서처럼 난분할 및 발육에 적응하는 과정이며 핵이식란에서도 일반 수정란과 같은 과정과 현상을 보인다. 이것이 바로 체세포 복제에서도 자연수정과 마찬가지 과정을 거친다는 증거가 되며 그 과정을 리프로그래밍이라 한다. 이와 같이 핵이식 수정란은 리프로그래밍에 의해 자신의 생물학적 시계를 되돌리게 된다.


핵이식란의 체외 배양 및 대리모 이식

핵이식란을 대리모에 이식하여 착상시키기 위해서는 일정 단계까지 체외에서 발육시켜야 한다. 세포융합이 완성된 핵이식란은 동물 종이나 세포의 종류에 따라 각각 특정 배양조건을 갖춘 인큐베이터에서 체외 배양과정을 거쳐 난 분할 및 발육과정을 밟게 된다. 이 과정에서 일정 발육단계에서 다음 단계로 분할에 장애현상이 나타나며 동물종 특유의 이러한 세포장벽(cell block) 현상을 극복해야 한다. 초기에는 이 세포장벽을 극복하기 위해 동종 또는 이종 동물의 체내 시스템(나팔관 내 일시적 가 이식)을 응용하기도 했으나 최근에는 인큐베이터 내에서의 단순배양에 의해서도 문제를 해결할 수 있게 되었다. 그러나 아직도 체세포 복제기술이 지니고 있는 기술적 한계, 즉 낮은 수태율, 높은 유산율, 거대 태아증 등은 바로 이 배양기술과 관련된 것으로 추정되고 있어 앞으로도 체외 배양기술은 한층 향상시켜야 할 숙제이다.

또한 현재의 체세포 복제기술은 수핵 세포질 내에 존재하는 미토콘드리아 DNA의 영향을 배제할 수 없는 수준이기에 완전한 복제라 할 수 있는가에 대해서는 이론의 여지가  남아 있다. 그러나 이와 같은 미토콘드리아 문제가 규명되면 현재 심혈을 기울여 추진 중인, 인간의 모계 유전병 극복, 멸종되었거나 멸종 위기에 직면한 희귀동물의 보존에도 이 기술을 적용할 수 있어 많은 과학자들이 이 부분에 전력을 기울이고 있다. 이와 같은 과정을 통해 후기 상태로 발육된 복제 수정란은 성주기가 수정란의 발육 단계에 일치된 대리모의 자궁 내에 이식하여 착상, 수태에 이르게 된다.


생명복제기술의 적용영역과 전망

생명복제기술은 그 잠재 영역 중 대부분이 바이오 의학이나 바이오 농업에 적용될 것이며 그 외에 환경보전 및 바이오 에너지 분야 등에도 이용될 수 있을 것이다. 또한 장래에 유전자 적중기술이 복제기술과 어우러져 실용화 되면 각각의 기술이 지닌 특성에 시너지 효과가 발휘되어 인간의 삶의 질 향상에 중요한 역할을 할 것이다. 향후 10년 전후의 시기에 실용화가 가능할 것으로 예측되는 기술을 열거하면 다음과 같다.


동물의 번식과 개량

유전적 진보는 유전적 다양성을 탐색하여 그 중 제한된 개체를 대량으로 번식시키는 기술에 달려있다. 산업적으로 중요한 몇 가지 유전특성은 완전히 밝혀내려 해도 환경요인에 의해 심하게 영향을 받아 개체의 유전적 장점을 정확하게 파악하기가 어렵다. 젖소에서 경제적 손실을 초래하는 주요 질병인 유방염과 부제병 등이 그 대표적인 예이다. 형질이 우수한 젖소를 번식에 이용할지 결정하기에 앞서 동일한 개체를 몇 번 복제하여 1두로는 밝혀내기 어려운 질병 감수성 등 경제형질을 정확하게 파악하여 향후 우량형질 보존에 적용할 수 있게 된다. 다시 말해 수많은 산업동물 중에서 우량동물을 선발하고 이를 복제하여 단기간 내에 능력개량을 이룬다면 축산업의 생산성은 획기적으로 향상될 것이다. 이와 같은 복제기술의 실용화는 3~5년 후부터 적용할 수 있을 것으로 예견된다.

아울러 체세포 복제기술은 형질전환동물 생산의 획기적 전기가 되고 있다. 즉 세포에서 특정 유전자를 제거하거나 변화시켜 유전자가 적중된 세포를 복제에 이용하면 원하는 유전형질로 변화된 동물을 생산할 수 있어 기존의 형질전환동물 생산기술이 지니고 있는 한계를 극복할 수 있을 것이다.


의학용 단백질의 생산

치료용 단백질은 질병치료에 유익하게 이용되고 있으나 공급이 부족하거나 생산원가가 비싼 상태이다. 일부는 혈액에서 정제하기도 하나 생산비용이 비싸다. 또한 시료에 에이즈, C형간염 또는 광우병 등 감염원의 오염 가능성도 있다. 이런 단백질은 세포배양에 의해서도 생산될 수 있으나 극소량에 불과하다. 물론 세균이나 효모에 의해 대량생산하는 방법도 있으나 생성된 단백질의 정제가 쉽지 않다. 이에 비해 형질전환 동물의 젖이나 오줌, 혈액에서는 대량 생산이 가능하며 가격은 상대적으로 저렴해진다.

체세포 핵이식에 의한 형질전환 복제동물 생산은 전핵에 직접 주입하는 등의 전통적 기술에  비해 절반 정도의 실험동물로도 실용화가 가능한 장점이 있다. 일년 반 정도면 원하는 성을 지닌 소수의 복제동물로 실험군을 조성하여 임상적용을 하기에 충분하다. 이런 방법으로 복제된 형질전환 동물을 생산한 후 적용할 수 있는 대표적 예로 혈청 알부민이 있다. 전 세계적으로 화상이나 창상 치유에 필요한 인간 혈청 알부민은 600t 이상이다. 이런 알부민은 단지 외래 유전자를 도입한 형질전환 젖소에서는 원래 소의 것과 분리해 내기가 어렵다. 많은 양을 정제하기가 쉽지 않다. 이와 같은 문제는 그림3에서와 같이 유전자적중(gene targeting)기술에 의해 극복할 수 있다. 예를 들어 소에서 동등한 부위를 인간의 알부민 유전자로 대치하는 방법으로 특정 단백질을 대량생산할 수 있게 된다. 이 기술은 미국 및 영국에서는 이미 일부 성공 예가 발표되기도 했으며 국내에서도 가까운 장래에 도달할 것으로 예측된다. 이런 분야의 연구는 향후 3~5년간 관련기술의 보완연구에 의해 10년 이내에 산업화에 도달할 수 있을 것이다

 

그림3 치료용단백질 생산용 형질전환 젖소 복제과정


특정 영양물질의 생산

예를 들어 우유는 송아지에는 이상적이지만 어린이에게는 모유보다 못하다. 만일 우유의 구성 성분을 인간에게 적합하도록 변화시킬 수 있다면 가치가 훨씬 향상될 것이다. 체세포 핵이식기술과 유전자 적중기술은 인간 단백질을 소나 양의 단백질과 전환시켜 특정 소비자군에게 적합한 형태로 영양성분이 전환된 우유를 생산할 수 있다. 예를 들어 우유의 특정 단백질에 면역반응을 보이거나 락토오스 같은 성분을 분해하지 못하는 사람에게 공급할 수 있는 우유를 생산할 수 있다. 또한 특정 환자군에게 적합한 성분의 우유를 생산할 수 있는 형질전환 복제 젖소의 출현도 가능할 것이다. 이 기술은 향후 10년 이내에 실용화에 도달 할 것으로 예측된다.


장기이식용 동물의 생산

심장, 안구 등 인간장기의 이식적용 예는 최근에는 일반치료술로 인식되고 생명구제의 중요한 영역으로 자리잡고 있다. 그러나 절대적으로 부족한 장기공급원의 해결책으로 제한된 사후기증이 아니라 제3의 공급방안을 찾아야 할 것이다. 여기에는 의공학적 기술에 의한 인공장기의 개발과 형질전환기법에 의한 장기제공용 동물의 생산, 줄기세포에서의 유도, 조직공학적 접근법 등이 있다. 이 중 형질전환 동물에 의한 인간장기의 생산에는 면역조직학적 거부반응, 종 특이성과 같은 난제 및 미생물학적 감염 위험성 배제 등 해결되어야 할 과제가 산적해 있다. 그러나 최근 생명공학기술의 발전은 형질전환 및 체세포 복제술을 적용하여 이를 해결코자 하는 시도가 이루어지고 있다.

동물로부터 인간 장기를 생산하기 위해서는 우선 동물과 인간 사이에 장기의 해부학적 유사성, 생리학적 적합성 및 대량 공급의 가능성 등 전제조건이 충족되어야 한다. 이와 같은 조건에 부합되는 동물로서 돼지를 으뜸으로 꼽고 있으나 돼지는 인간과 면역체계가 상이하며 병원성 미생물의 전파 가능성도 있어 당장 실용화 하기는 요원한 상태이다. 그러나 그림4에 나타난 바와 같이 인간의 장기와 유사한 특성을 지닌 돼지의 세포에서 인간에게 초급성 거부 반응 유전자를 제거하여 형질전환된 돼지를 복제하고 여기에 미생물을 통제할 수 있는 사육시스템을 적용한다면 인간에게 적합한 장기제공용 돼지를 생산할 수 있을 것이다. 관련 연구는 2000년 3월 12일 미국 버지니아주에서 5두의 복제 돼지가 처음으로 태어났으며, 2001년 9월에는 미국 미주리 대학 연구팀이 유전자 제거 복제 돼지를 생산하였고 2002년 7월 26일에는 서울대에서 PPL社에서 초급성 면역거부 유전자를 완전히 제거한 돼지를 생산한바 있어 실용화 가능성이 높아지고 있다. 국내에서도 10여개 연구팀에서 관련 연구가 진행되고 있으며 서울대에서 2002년 6월에는 형질전환된 복제 돼지의 탄생을 계기로 박차를 가하고 있다. 그러나 전 임상실험과 임상실험을 거쳐 적용하기까지에는 오랜 연구가 뒤따라야 할 것이다.

 

그림4 장기제공용 돼지 생산개요


질병모델 동물의 생산

쥐나 토끼와 같은 실험동물은 인간을 대상으로 한 질병관련 실험을 대신할 수 있는 질병모델 동물로서 적합하다. 이와 같은 질병모델 동물은 그 종류도 다양하며 대량으로 이용되고 있다. 그러나 질병모델 동물 간에 존재하는 다양한 유전형질의 차이는 약물투여나 사양실험에서 예기치 않았던 유의차를 초래할 수 있다. 그러므로 특정 유전형질 보유개체를 체세포 복제방식으로 대량생산하여 실험에 적용하면 실험의 질적 향상과 고부가 가치의 창출이 가능할 것이다. 이와 같은 이유로 이 분야 연구가 가속화 되고 있으며 10년 이내에 실용화를 목표로 정진하고 있다.


세포․유전자 치료 (줄기세포 연구)

백혈병, 파킨스씨병, 당뇨병 등 세포성 질병의 환자에 대한 세포이식은 이미 시도되고 있다. 이러한 치료용 세포는 면역 거부반응에 대한 문제를 피할 수 있는 대상으로부터 얻어야 한다. 인간세포가 난자 없이도 리프로그래밍되는 과정을 더 이해하게 되면 환자 자신의 세포를 이용할 수 있게 되어 조직의 불일치에서 발생하는 문제를 줄일 수 있다. 즉, 환자 자신으로부터 세포를 채취하여 원하는 세포 타입으로 만들고 이를 다시 치료 목적으로 환자에 이식하는 것이다. 그러나 현재까지는 난자를 이용하지 않고서는 세포를 완전히 리프로그래밍하여 역분화시키는 방법이 없으며 이 때문에 세계 각국에서는 배아복제를 통한 배아줄기세포의 확립에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 여기에는 인간개체 복제로 오․남용 될 수 있는 가능성이 있어 각국마다 적절한 가이드라인과 법적 규제 장치를 마련해가고 있다. 자연수정란에서는 줄기세포를 배양하는데 성공했으며 복제기술을 이용한 배아 줄기세포 생산도 가까이 접근하고 있다.

체외 수정란으로부터의 배아 줄기세포 생산은 미국, 호주, 싱가포르에 이어 2000년에 국내에서도 마리아산부인과 기초의학연구소의 박세필박사팀, 미즈메디병원 윤현수박사팀, 중문의대 차병원의 정형민박사팀 및 서울의대 문신용교수팀도 배양에 성공하였다. 체세포 복제에 의한 배아 줄기세포 구축에는 아직 국내외에서 성공 예는 없으나 그 직전 단계인 배반포까지의 배양에는 미국과 필자 등의 연구팀에서 각각 성공하여 국제 특허가 출원된 상태이다.

그림5 배아 줄기세포의 복제 생산 과정


생명복제 기술의 전망 및 윤리적 문제

대부분의 생명 공학기술은 그 쓰임새에 따라 인류에게 축복이 될 수도 있고 재앙으로 작용할 수도 있다. 특히 생명의 창조에 견줄 수 있는 생명복제기술은 선용이냐 오․남용이냐에 따라 극단적 영향을 끼칠 수 있을 것이다. 악용시의 해악은 타 분야 과학기술과 비교할 수 없을 정도의 엄청난 규모가 될 것이기에 이 기술개발과정 및 적용영역에 대한 철저한 준비와 사회적 합의가 수반되어야 한다. 세계 각국에서는 생명 복제기술에 대한 가이드라인과 법적 장치가 속속 마련되고 있으며, 국내에서도 국회 과학기술정보통신위원회를 중심으로 입법과정을 밟은 적이 있으나 15대 국회의 마감과 함께 자동폐기 되었고 제16대 국회에서 입법청원된 상태이다. 보건복지부에서 생명안전윤리법을 제정을 위한 용역사업 후 공청회를 개최하여 입법예고 중이다. 또한 과학기술부 산하의 생명윤리자문위원회가 구성되어 가칭 “생명윤리 기본법시안”을 마련하여 과학기술부가 “인간복제 금지 및 줄기세포 연구 등에 관한 법률”을 마련한 바도 있다. 이에 대해서도 기술개발과 연구내용을 일부 통제해야 한다는 시민단체, 종교계 등의 주장과 이에 반대하는 과학계 및 산업계의 의견이 팽팽하게 대립되고 있다. 각 국의 규제수준은 독일과 같이 2차대전 시 생체실험의 악몽을 겪은 나라에서는 통제가 기초를 이루고 있으며 영국에서는 배아복제에 관한 허용법규가 의회를 통과하였다. 일본이나 중국 등에서는 인간개체복제는 금하되 과학발전과 의료기술개발 측면은 지원 내지 허용하는 기조를 띄우고 있다. 미국에서는 배아복제를 금지하는 법안이 하원을 통과하였으나 상원에서는 부결되었다. 이와는 별도로 부시대통령은 기존에 수립된 60여 종의 배아 줄기세포 연구에 대해서 연방 연구기금을 지원하는 정책을 발표한 바 있다. 2002년도 유엔에서도 생명복제에 관한 열띤 논의가 있었다. 인간복제는 물론 치료복제까지도 금하자는 미국 및 일부 카톨릭 국가의 안과 인간복제를 우선 금하되 치료복제와 같은 부문은 추후 논하자는 독일 및 프랑스 등 대다수 국가의 주장이 맞서 2003년으로 미루어진 상태이다. 우리나라는 일부 과학자들이 척박한 환경에서도 관련 기술의 선도국으로 진입하기 위해 기술개발에 노력해 왔으나 최근 생명윤리 및 사회적 건강성을 내세우는 시민단체 등의 강력한 이견에 직면하고 있다.

과연 생명복제는 학문영역일까? 물론 학문영역이며 여러 학문분야에 큰 영향을 끼칠 수 있는 필수영역이다. 그렇다면 그 연구의 허용범위는 어디까지일까? 생명공학은 생명현상 그 자체를 탐구대상으로 하며 그 결과는 인간의 생활에 직접 영향을 끼치는 특성을 지니고 있다. 따라서 다른 학문영역과 동일하게 무제한적 연구의 자유를 요구할 수는 없다고 본다. 그 허용범위는 과학계, 철학계, 종교, 시민단체, 산업계 등의 폭 넓은 논의의 바탕에서 합의를 모으고 학문의 국제적 추세와 발전정도 등을 종합적으로 검토하여 정해야 될 사안이 아닐까 한다. 과연 두 마리의 토끼를 잡을 수 있을까?

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