과학과 철학을 한 책에
“유전자 임팩트” 리뷰
제목 그대로 근래 내가 읽은 책 중 가장 임팩트가 있는 책. 언뜻 보면 딱딱하고 재미없어 보이는데, 각 잡고 보면 공상과학 영화처럼 재미있다. 가장 충격적으로 다가왔던 기술은 돼지 장기를 사람이 이식받는다던가 멸종된 매머드를 부활시킨다던가 하는 것들.. 오히려 유전자 편집 아기가 태어났다는 사실은 별로 신기하지 않았다.
유전자 편집 기술로 인해 미래 빈부격차가 더 심해질 것을 걱정하는 사람이 많아졌다. 나는 왠지 관심이 안 간다. 미래세대보다는 지금 나에게 어떤 영향이 있을지 궁금하다. 같은 의미로 배아 편집보다는 성인 체세포 치료에 더 관심이 간다. 나는 이미 태어났으니 배아 편집을 할 수도 없고.. 그러니 체세포 치료법이나 빨리 발전해서 현재 살아있는 사람들이 혜택을 누렸으면 좋겠다.
이 책을 읽고 기존에 갖고 있던 관념도 바뀌게 되었다.
예전에 GMO라고 하면 무조건 반대했는데, 이유는 느낌상 안 좋아서. 사람은 자연적인 거 먹어야 안전하지, 막 변형된 거 먹어서야 되겠어? 이렇게 생각했다.
(GMO와 유전자 편집 작물은 엄밀히 따지면 다르다.)
놀라운 사실은, 자연이 돌연변이를 일으키고, 농민들도 일부로 돌연변이를 일으킨다는 것이다. 품질이 좋고 생산성이 좋은 품종을 얻기 위해서 일부러 돌연변이를 일으킨다.
고구마 바나나 다 돌연변이라고..
자연과 농민들이 긴 시간을 들여서 얻은 돌연변이는 괜찮고 과학자들이 짧은 시간 내에 뚝딱 만들어낸 돌연변이는 왜 안 괜찮은지 모르겠다.
솔직히 돌연변이를 얻는 방법 중에 화학물질을 사용하거나 원자로를 이용해서 방사선을 쪼인다는 내용을 보고 식겁했다. 유전자 변형이나 편집보다 이게 더 오싹하게 들려왔다. 이래도 괜찮나? 이게 더 위험한 거 아닌가? 여전히 의문이다. GMO를 반대했던 이유가 '느낌이 안 좋아서'였는데, 어째 전통적인 돌연변이 얻는 방식이 더 느낌이 안 좋다..
GMO가 사실 안 위험해요, 생산량을 높이고 어쩌고 저쩌고 백번 얘기해봤자 안 먹힘. 거부감만 들뿐. 근데 분자 수준에서 유전자 편집이 어떻게 이루어지는지 세세히 보여주니까 오히려 견고했던 신념이 무너지기 시작했다.
그렇다고 내가 맘 놓고 유전자 변형 식품을 먹겠다는 건 아니다. 최대한 GMO나 유전자 편집 작물을 피하려고 노력은 할 것이다. 어차피 밖에서 식사를 하면 내 맘대로 GMO를 가려낼 수 있는 게 아니니까. 그래서 내가 컨트롤할 수 있는 범위에서는 최대한 그런 음식들을 피할 것임. 다만 너무 스트레스받으며 꼼꼼히 걸러내지는 않겠다는 것.
책은 1세대, 2세대를 지나 현재 3세대 유전자 가위라 불리는 ‘크리스퍼’ 기술을 집중적으로 다룬다. 크리스퍼를 발견하고 퍼즐을 맞춰가는 과정이 꽤나 흥미롭다.
반복되는 염기서열
80년대 후반~ 90년대 초, 과학자들은 세균을 연구하는 과정에서 이상한 점을 발견했다. 세균 유전체의 한 구간에서 어떤 짧은 염기서열이 계속 반복되어 나타나는 것이다.
반복서열 - 반복되지 않는 염기서열 - 반복서열 - 반복되지 않는 염기서열 - 반복서열...
이렇게 계속 반복해 나타난다.
계속 반복하니까 신기하잖아. 왜 반복될까. 이건 무슨 뜻일까?? 아무 이유 없이 반복될리는 없잖아..
2001년 모히카라는 과학자가 이 반복되는 구간에 '크리스퍼'라는 이름을 달아주었다. CRISPR :Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats 규칙적인 간격을 두고 나타나는 짧은 회문구조의 반복서열이라는 뜻.
이렇게 과학자들은 처음에 반복되는 부분에만 주목하느라 그 사이에 끼어있는 염기서열에는 관심을 기울이지 않았다. 이 반복되지 않는 염기서열은 스페이서(Spacer)라고 부른다.
알고 보니 면역
이제 모히카의 관심은 점차 스페이서 염기서열에 쏠렸다. 이 부분은 무엇일까? 연구진 내부에서는 이 부분이 아무 의미 없다, DNA 복제 과정에서 엉성하게 만들어진 부분이다, 돌연변이다 등 각종 추측이 난무했다. 그러다 어느 날 회의에서 한 대학원생이 별생각 없이 한마디 툭 내뱉는다, 스페이서 DNA가 외부에서 온 것 같다고. 말하고 나니 뭔가 잘 맞아떨어지는 느낌이다. 그렇다면 크리스퍼는 외부 침입자의 정보를 기억하는 면역계란 말인가?
이튿날 모히카는 한 스페이서 염기서열을 복사해서 대규모 DNA 데이터베이스 프로그램에 붙여 넣기 해보았다.
사실 이건 늘 해오던 작업이었는데(?) 여태까지 별다른 발견이 없다가 이날은 웬일인지 검색 결과가 나타났다. 대장균에 있던 이 스페이서 서열은 바이러스 P1의 DNA 일부와 일치한 것으로 나왔다. 그러니까 이 스페이서 염기서열들은 예전에 자기를 침공한 적 있는 바이러스의 DNA 조각이었던 것이다.
모히카는 이러한 사실을 논문으로 정리하여 학술지에 제출하였다. 하지만 ‘기억력이 필요한 면역 체계가 세균에 존재한다’는 사실은 큰 관심을 받지 못했다. 이 논문은 2003년부터 쭉 게재 거부를 당해오다가 2005년에야 발표된다. 거부 이유는 면역기능이 발휘된다는 가설을 뒷받침할 실험 증거가 없다는 것이었다.
다른 과학자들도 크리스퍼가 세균의 면역기능과 연관된다는 논문을 제출하였으나 모히카와 똑같은 좌절을 겪었다.
그리고 얼마 뒤 엉뚱하게도, 덴마크의 한 요구르트 회사에서 이것을 실험으로 입증해내는데..
세균 VS 바이러스
2002년 요구르트 연구원 호바스는 젖산균 관련 심포지엄에서 크리스퍼 관련 내용을 보게 된다. 주된 업무가 발효유 제품에 쓰일 종균을 연구하는 일인지라 그는 세균과 바이러스에 관심을 가질 수밖에 없었다.
호바스 연구진은 곧 스페이서 염기서열을 당시에 알려진 바이러스 염기서열과 비교해보았고, 일치하는 부분을 발견하였다. 2004년 12월부터는 회사에서 DNA 염기서열 분석 장비를 사서 크리스퍼 염기서열을 분석하기 시작했고 2005년에 아주 의미 있는 실험을 하게 된다.
어떤 균과 그것의 후손균을 비교해보았더니, 박테리오파지에 내성을 나타내는 이 돌연변이 후손균주에는 모균주보다 스페이서 두 개가 더 있었다. 이 스페이서 1과 2는 박테리오파지의 염기서열과 일치하다. 후손균주에서 이 두 스페이서를 제거하자 박테리오파지에 대한 저항성이 사라졌다. 이어서 모균주에 이 두 스페이서를 추가하자 내성이 생겼다. 빙고! 이렇게 크리스퍼는 세균이 바이러스에 저항하기 위한 면역계의 한 부분이라는 것이 실험으로 입증된 셈이다. (다른 실험도 있는데 복잡해서 패스~)
요구르트 회사는 일단 특허 신청부터 서둘렀고 논문은 2007년 3월에 발표된다. 이때부터 크리스퍼는 누구나 아는 이름이 되었다.
퍼즐 맞추기
이후 크리스퍼가 분자 수준에서 구체적으로 어떻게 작동하는지 메커니즘을 밝히기 위해 세계 각지의 많은 연구진들이 뛰어들어 퍼즐을 맞추기 시작했다.
바이러스 전문가 모이노 연구진은 카스9 단백질과 DNA가 처음 접촉될 때 인식되는 핵심 염기서열을 밝혀냈고, 네덜란드 미생물학자 두 명은 스페이서가 처음에 연속적인 RNA로 전사된 후 조각조각 잘려 개별 크리스퍼 RNA가 된다는 사실을 밝혀냈다. 이외에도 많은 연구자들이 언급됨......
수많은 과학자 중에 승자(?)는 미국의 생화학자 다우드나와 프랑스의 미생물학자 샤르팡티에인데, 이 두 여성 과학자는 2020년 노벨화학상을 공동수상 하게 된다.
다 맞춘 퍼즐을 설명하자면:
세균을 잡아먹는 데 특화된 바이러스를 박테리오파지라고 부른다. 박테리오파지는 쩍 벌어진 여러 개의 다리로 세균 표면에 단단히 붙어서 주사기처럼 자신의 유전물질을 세균 안으로 주입한다. 유전물질은 세균 내부에서 단백질이 생산되는 장치를 가로채 무수히 많은 자손을 만들어내고 숙주는 죽게 된다.
바이러스에 저항하기 위해 세균은 나름대로 독특한 면역기능을 발전시켜왔다. 바이러스가 세균에 침투하면, 세균에 있는 제한효소가 달려가서 바이러스의 유전체를 갈기갈기 잘라 놓는다. 이때 1,000만 분의 1 확률로 세균은 바이러스 절편을 획득해 보관할 수 있다. 이렇게 세균은 자기를 공격했던 바이러스들의 유전체 절편을 하나하나씩 연결해서 보관해두는데 이 사이사이에 동일하게 반복되는 염기서열이 끼어 들어가 있어서 서로 깔끔하게 분리되어 있다.
이후 같은 바이러스가 다시 침공해오면 크리스퍼가 먼저 활성화되고 RNA 가닥이 만들어진다. 이 가닥이 쪼개져 개별 RNA 조각이 형성되고 이 조각들은 카스9이란 단백질과 결합해 바이러스 족치러 간다. 핵산분해효소인 카스9은 바이러스 DNA를 꽉 붙들고 정보가 일치한 지 확인한 후 싹둑 잘라 죽여버림. 즉 카스9은 가위, 크리스퍼 RNA는 가이드의 역할을 한다.
사실 이 두 요소 외에 한 가지 요소가 더 추가되는데 바로 트레이서 RNA(tracrRNA)이다.
단일 가이드 RNA
다우드나와 샤르팡티에는 2011년에 만나 협업을 시작했다. 지넥은 이들 연구진의 한 일원인데 crRNA와 tracrRNA를 합쳐서 단일 가이드 RNA를 만드는 데 성공한다. 그는 이렇게 싱글 RNA(sgRNA)가 만들어지면 원칙적으로 가이드 역할을 할 염기서열을 무엇이든 미리 만들 수 있다는 사실을 깨달았다. 표적화하고 싶은(절단하고 싶은) DNA 염기서열만 안다면 그 염기서열과 일치하도록 염기 20개 정도 길이로 RNA 염기서열을 만들기만 하면 된다.
1세대 가위 ZFN, 2세대 가위 탈렌은 만들기가 너무 복잡하고 비용이 많이 든다는 문제가 있었다. 근데 크리스퍼 가위에 사용되는 가이드 RNA는 웹사이트에서 주문 가능하다고 한다. RNA 염기서열은 만들기 쉬운가 보다..
아무튼 3세대 가위 크리스퍼가 주목을 받는 이유는 쉽고 저렴해서인 것 같다. 더 저렴하고 흔해져서 진정한 기술 민주화가 이뤄졌으면 좋겠다. 비용이 많이 들면 부자들만 유전자 편집 기술의 혜택을 누릴 텐데, 비용이 줄면 성형수술처럼 일반인 누구나 다 누릴 수 있는 기술이 될 테니.
다우드나와 샤르팡티에 연구진의 논문은 2012년 6월에 발표되고 두 분은 과학계의 스타가 되었다. 필요에 따라 실험실에서 크리스퍼-카스9 시스템으로 거의 모든 DNA 염기서열을 절단할 수 있다는 내용이 담긴 이 논문은 ‘유전자 표적화와 유전체 편집에 응용될 수 있는 잠재성이 상당히 크다’라는 설명으로 마무리된다. 어떤 연구자든 각자의 목적에 맞게 sgRNA라는 유용한 도구로 이 시스템을 손쉽게 바꿔서 활용할 수 있다.
(얼마 뒤 과학자들은 인체 세포에서도 크리스퍼-카스9 시스템을 활용하여 DNA를 자를 수 있다는 것을 증명한다.)
사실 비슷한 시기, 비슷한 내용을 발표하고도 많이 주목받지 못한 과학자가 있다.
리투아니아의 생화학자 식스니스는 카스9을 재프로그래밍하면 원칙적으로 모든 염기서열을 자를 수 있다는 점을 밝혔다. 이 논문은 3월에 제출되었지만 거절을 당하고 여러 학술지를 거쳐 9월에야 발표된다.
단일 가이드 RNA가 사용되지 않았지만, 본질적으로 중요한 논문임에는 틀림없다. 지넥과 거의 동시에(또는 더 일찍) 진행된 연구였지만 논문 발표가 늦어지는 바람에 그의 연구는 앞서 6월에 발표된 다우드나와 샤르팡티에의 논문을 재확인해 준 결과로 여겨졌다.
과학에서 ‘운’이란
저자는 이 책에서 ‘기술과 과학은 가장 예상치 못했던 곳에서 위대한 순간을 맞이한다’고 했다. 정말 그런 것 같다. 아이러니하게도 대박은 의외의 곳에서 터진다. 과학계에도 운이 필요한가 보다.
식스니스는 원래 세균이 바이러스 공격에 어떻게 대항하는지 알아내는 연구를 했었다. 수년간 매달렸는데 갑자기 웬 요구르트 회사에서 완전히 새로운 세균의 면역 기능을 밝혀내다니.. 그리고 5년 후 우유부단한 학술지 편집자들 때문에 논문 발표가 지연되는 일까지 생기다니 지지리도 운이 안 따라주는 것 같다.
사실 기초과학 분야에 몸을 담은 과학자들은 자기의 연구분야가 인기 없고 성공할 가능성이 극히 적음에도 불구하고 순전히 자연에 대한 호기심으로 묵묵히 연구를 이어간다. 그러다가 운이 따르면 노벨상을 타고 인기와 명예를 거머쥐게 되지만 대부분 연구자들은 알려지지 않고 잊히기가 일쑤다. 하나의 기술이 위대한 성과를 거두기까지 수많은 과학자들의 연구와 헌신이 있었지만 그중에 한두 명만 노벨상을 받는다. 어쩔 수 없는 일이다.
책에 있는 한 과학자의 말이 굉장히 인상 깊다.
세계적으로 성공한 미생물학자로 꼽히는 밴필드는 맨 처음 다우드나에게 크리스퍼에 대해 설명해주고 같이 연구해보자고 제안했던 사람이다. 훗날 노벨상을 받게 될 다우드나 교수의 흥미를 일깨워준 셈. 그녀는 이렇게 말한다.
“제가 죽은 뒤에 비석에 이런 글귀가 적히겠죠. ‘제니퍼 다우드나에게 크리스퍼-카스에 관해 이야기하다.’ 마치 그게 제 삶의 한 줄 요약인 것처럼 말이에요!”
이 책의 놀라운 점이 뭐냐면 바로 이런 소외된 과학자들의 이야기가 엄청나게 많이 등장한다는 거다. 저자가 유명 학술지의 편집장이어서 인맥이 넓고 내부 사항을 잘 알기에 가능한 일이 아닐까 싶다.
말 그대로 정말 많은 인물이 등장하는데 처음에는 이게 살짝 거슬렸다. 일회독 할 때에는 크리스퍼란 도대체 무엇일까, 어떻게 유전자를 자르는 가에 치중하여 읽다 보니 여러 과학자들의 개별 배경과 이야기가 나올 때 Too Much Info라고 생각했다. 누가 누군지도 모르는데 어쩌라고, 인맥 자랑하냐고. 줄거리가 자꾸 옆으로 빠져서 산만하다고.
근데 지금 다시 돌아와 보니 그 이야기들이 너무나 흥미로운 거다. 일반인에게 잘 알려지지 않았지만 과학의 발전에 기여를 한 연구자들을 한 명 한 명 등장시키고 그들의 배경과 이야기를 넣어주는 정성에 감탄했다. 따라서 저자의 필력에 대한 생각도 바뀌었다. 자꾸 옆으로 빠진다고 불평했는데 사실은 이토록 방대한 내용을 담은 책이 소설처럼 술술 읽히기를 바랐던 내 생각이 잘못된 것 같다. 이 책은 어렵고 방대한 내용을 흥미롭게 잘 엮어냈다는 평가를 받아 마땅하다. 굿~!
지난 6월 20일 씽큐ON 온라인 토론이 있었는데 이날 저자가 직접 줌앱에 접속하여 한국 독자들과 Q&A 시간을 가졌다. 전문 통역사님도 함께 해서 너무 신기했다. 저자가 영어를 천천히 한 것도 있지만, 그래도 내가 영어를 알아들었다는 것은 책에 담긴 지식을 잘 소화해냈다는 증거가 아닐까 생각해봄..^^
프레젠테이션과 질문 해답은 책 내용을 크게 벗어나지 않았다. 이날 가장 인상 깊었던 것은 마지막 질문, 저자와 그의 친구에 관한 내용이었다. (친구분은 3년 전에 세상을 떠났다.)
젊은 시절 데이비드 박사와 친구들은 영국에서 팝 밴드를 구성하여 활동했다고 한다. 노래는 유튜브에서 검색해 들을 수 있다. BTS만큼이나 유명해지기를 원했지만 실패했다고 함.. ^^
두 분은 공동으로 책을 출간한 적도 있다. 책은 유방암 유전자를 발견한 메리 클레어 킹의 연구에 관한 이야기를 담았다고 한다. 음악도 하고 책도 쓰는 인생 멋있음..!
저자는 영국에서 유전학 박사학위를 받고 미국으로 건너가 하버드 대학에서 연구를 계속했다. 추후 실험실을 떠나 학술지 <네이처>에 편집장으로 합류한다. 세계에서 가장 유명한 학술지에 자신의 이름을 싣는 방법이 한 가지만 있는 게 아니라고 생각했다 함. 적성에 맞는 일을 찾는 게 중요하구나...
사실 이 책에 나오는 과학자들이 자신의 생명공학회사를 소유하고 있다는 점도 굉장히 부러웠다. 자신이 하고 싶은 연구를 하면서 수익창출도 하니까 두 마리 토끼를 다 잡은 셈이다. 이들처럼 좋아하는 일로 돈을 번다는 건 어떤 기분일까. 삶이 굉장히 만족스러울 듯.
미친다. 이 글을 쓰는데 어마어마한 시간이 걸렸다. 글이 너무 길어지고, 이젠 내가 하고픈 말을 다 쓴 것 같아서 여기서 마무리해야겠다. (끝)
