유전공학 이란?

 

 

 

유전공학 [遺傳工學, genetic engineering] 이란 

생물의 유전자를 인공적으로 가공하여, 인간에게 필요한 물질을 대량으로 값싸게 얻는 기술에 관한 학문이다.

1990년대에 들어서면서 경이적인 과학기술의 하나로 큰 주목을 끌고 있다.

 

유전공학 분야에는 재조합 DNA 기술(recombinant DNA technology) ·세포융합기술 및 핵치환기술(核置換技術) 등이 있다.

유전공학의 발전은 우리 세계를 바꿀 수 있을 것으로 내다보고 있다. 암(癌)을 제압하고 노화(老化)를 방지하며, 불모의 사막을 결실이 많은 푸른 녹지(綠地)로 만들고 아무리 사용해도 닳지 않는 에너지를 얻을 수 있게 할 수 있어서, 유전공학은 결국 오늘의 인간이 안고 있는 에너지 ·식량 ·의료 등의 문제를 해결해 줄 수 있는 비방을 지니고 있다고 해도 좋을 것이다. 이 때문에 유전공학은 ‘제3의 산업혁명’이라고 할 수 있고, 따라서 그 개발을 위하여 온세계의 기업들이 이의 연구개발에 착수하고 국가들도 전략기술로 다루어 직접 육성에 박차를 가하고 있다. 한국에서도 82년부터 유전공학 분야를 국가가 육성해야 할 특정연구 분야로 지정하고 있다.

 

DNA 재조합기술

유전자재조합은 기본적으로 두 과정으로 이루어진다. 첫째는 DNA 단편을 플라스미드나 박테리오파지처럼 독자적 복제능력이 있는 적당한 유전인자 운반체(vector)에 연결시켜 주는 일이다. DNA 단편은 자기복제 능력이 없으므로 이것들이 새 숙주세포에 들어가서 유전자로서 기능을 할 수 있게 하기 위해서 작은 레플리콘(replicon:플라스미드 또는 바이러스)에 연결시켜 그 숙주세포에서 자기복제할 수 있게 해 주어야 한다.

둘째 과정은 재조합된 DNA를 숙주세포 속에 주입하여 복제 및 유전정보를 발현시키게 하는 일이다. 이러한 두 과정을 합쳐서 재조합 DNA 기술 또는 유전자복제(遺傳子複製)라고 한다. 유전자 재조합은 크게 미생물유전자 재조합과 고등생물의 유전자 재조합의 두 가지로 나눈다. 이와 같은 구분은 유전자의 구조적 차이점으로 보나 기술적인 차이점으로 볼 때 합리적인 방법이라고 할 수 있다.

 

미생물 유전자 재조합기술

현재 유전자조작에 대한 연구가 원핵 ·진핵세포를 재료로 해서 행해지고 있지만, 아직까지 대장균(E.coli)을 중심으로 한 몇 종의 원핵세포에서만 그 조작이 가능한 것으로 알려지고 있다. 대장균에 있는 플라스미드는 DNA고리로 된 핵외 염색체인데 자체가 복제할 수 있으며 몸 안팎으로 쉽게 출입할 수 있다. 플라스미드의 이 성질을 이용하여 다른 DNA 단편을 플라스미드의 DNA고리에 결합시켜 DNA의 운반체로 사용한다. 플라스미드를 세포 밖으로 끄집어낸 뒤 고리의 일부를 끊어야 한다. 이때 DNA 고리를 끊는 효소를 제한효소(制限酵素)라고 한다.

제한효소는 DNA의 구성성분인 뉴클레오티드의 질소 염기의 배열순서를 식별해서 작용하게 되므로 그 효소의 종류가 많다. 원래 제한효소는 박테리아의 체내에서 합성되는데, 이것은 원래 박테리아 체내에 들어온 외부의 DNA를 절단하여 변성시킴으로써 자신의 생존을 보위하는 기능을 가지고 있으며, 이 효소를 분리해 추출 정제해서 유전자 조작을 위한 DNA의 절단용으로 이용한다.

제한효소로 플라스미드의 고리를 끊고, 또 플라스미드 운반체에 끼울 유전자의 특정 부분의 DNA를 역시 제한효소로 끊어서 도막을 낸 뒤 이를 플라스미드의 끊어진 부분에 삽입하여 새로운 DNA의 고리를 만든다. 일반적으로 도막을 낸 DNA의 단편은 그대로 복제나 전사가 되지 않으나 이를 일단 플라스미드에 삽입하여 박테리아 체내에 도입하면 일단 DNA와 같이 자체가 복제를 하고 mRNA를 전사할 능력이 생긴다. 따라서, 플라스미드에 끼워 넣은 DNA의 단편이 인슐린이나 인터페론 등을 생성하는 것이면 박테리아가 증식할 때마다 인슐린이나 인터페론이 생성된다.

만일 배양액 내에 클로람페니콜(chloramphenicol)을 첨가하면 세포 내에 1,000∼3,000개의 플라스미드를 복제하게 되므로 산물의 생산 수율을 크게 높일 수 있다. 플라스미드와 DNA 단편의 연결을 위해서는 리가아제라는 효소가 필요하며, 외부의 DNA 단편을 가지게 된 플라스미드는 DNA의 운반체로서 다시 세포의 체내로 도입된다. DNA의 운반체로 파지가 있는데, 박테리오파지 λ가 가장 널리 연구되었고 유전자 조작연구의 시초부터 운반체로의 이용 가능성이 고려되었다.

현재 많은 λ유도체가 운반체로 개발되고 있다. 즉, 이들 유도체들은 DNA 단편을 삽입할 수 있도록 1개의 제한효소 절단부위를 가지며, 또는 2개의 제한효소 절단부위를 가지므로 그 사이의 DNA 절편을 끊어 제거하고 다른 DNA 단편과 바꿔치기 할 수 있게 된 것이다. 파지운반체는 일반적으로 박테리아에로의 도입효율이 높고 파지플라크(phage plaque)에서 직접 재조합 DNA를 확인할 수 있다.

플라스미드 DNA와 λDNA를 묶는 데 필요한 부분(cos 부위)과의 재조합으로 만들어진 코스미드운반체(cosmid vector)들이 최근에 많이 이용되고 있다. DNA단편과 재조합된 코스미드 DNA는 배양상태에서 λ파지로 묶어서 선택적으로 대장균에 감염시킬 수 있으며, 일단 숙주 속으로 들어가서는 플라스미드처럼 복제되고 발현되는 이점이 있다.

일반적으로 DNA 단편은 제한효소나 기계적 방법으로 정제된 DNA를 20kb(1.4×10^７M.W)까지의 크기로 절단하여 얻거나, 또는 역전사효소(逆轉寫酵素)를 이용하여 mRNA를 역전사해서 얻거나 또는 직접 DNA를 화학적 합성에 의해서 얻게 된다. 이들 DNA단편들은 단리된 순수한 것을 사용하기도 하지만 단편들의 혼합물을 사용하여 숙주에 도입한 후 특정한 DNA단편이 삽입된 재조합체를 선별하기도 하는데 이를 쇼트건(shot-gun)방법이라고 한다. DNA단편들은 제한효소에 의해서 끊어져 나오는 것인데 각종 미생물로부터 100여 종이 분리 정제되었고, 이들 중 특이성이 다른 수십 종은 시판되고 있다.

제한효소에는 두 가지 형이 있는데, 그 가운데 하나는 Ⅰ형이다. 이는 DNA상에 특이적인 인식부위는 있어도 전달부위의 염기배열이 일정하지 않으므로 특정의 분자량을 가진 DNA단편의 생산이 어려워서 별로 이용되고 있지 않다. 한편, 다른 한 가지의 제한효소는 Ⅱ형이다. 이것은 Hpa I, Hae Ⅲ처럼 DNA의 2가닥 사슬을 동일지점에서 끊어 둔단(鈍端:blunt-end)을 가진 DNA절편을 생성하는 것과, Eco R I, Pst I처럼 2가닥 DNA사슬을 몇 염기씩 떨어져서 한 가닥씩 절단하여 몇 개의 염기로 된 한가닥 상보적 부착단(附着端:cohesive-end)을 가진 DNA의 절편을 만든다. 이 중 상보적 부분을 가진 DNA절편이 재조합하기가 쉬워 간단한 DNA의 합성에는 이것을 흔히 이용한다.

적당한 제한효소가 없을 때에는 기계적 절단방법을 이용하기도 한다. DNA의 단편을 플라스미드에 연결할 때에는 DNA를 절단한 방법에 따라 다르다. 부착단 방법에 의해서 DNA가 절단된 경우와, 둔단 방법에 의한 예는 다음과 같다. Eco R I에 의하여 절단된 DNA의 말단은 AATT의 염기순으로 되어 있고 Hind Ⅲ은 AGCT, Bam H I는 GATC의 염기순으로 되어 있다. 이들 말단 부위는 각각 분자의 반대쪽 말단의 상보적 사슬과 수소결합으로 결합하여 고리 모양 구조가 될 수도 있고, 또는 다른 DNA의 단편과 재결합 DNA를 형성할 수도 있다.

이들 결합은 DNA리가아제에 의해서 연결되든지, 숙주에 도입된 후 숙주세포의 효소계에 의해서 공유결합으로 연결된다. 이 방법은 DNA절편을 연결하여 재조합 DNA를 만드는 데 가장 간단한 방법이며, 같은 제한효소를 이용함으로써 원래와 똑같은 DNA단편을 생산할 수 있다는 이점이 있다. 둔단 방법에 의해서 절단된 DNA의 절편은 T₄ DNA리가아제에 의해서 서로 연결시킨다. 이 방법은 DNA의 절편을 그들의 말단 염기 배열과는 관계없이 연결시킬 수 있어서 이점이 되고 있다.

또 다른 방법으로 호모폴리머 테일링(homopolymer tailing : 單獨重合體精製化)방법이 있다. 이것은 DNA단편들을 연결하기 위하여 일반적으로 가장 흔히 적용하는 방법이다. 한 DNA절편의 한 가닥사슬의 끝에는 올리고(dA)를, 상대편 사슬의 다른쪽 끝에는 올리고(dT)의 꼬리를 달아 이들의 상보적 염기쌍의 연결에 의해서 고리 모양의 재조합 DNA를 형성하는 방법이다. 호모폴리머 테일링에는 흔히 송아지의 흉선에서 추출한 터미널 뉴클레오티딜 트랜스퍼라아제(terminal nucleotidyl transferase)라는 효소가 사용된다. 이런 여러 가지 방법으로 플라스미드 운반체에 실린 재조합 DNA는 숙주세포로 들어간다.

대장균은 CaCl₂로 처리하면 외부의 DNA를 받아들인다. 이 방법에 의해서 대장균, 살모넬라, Enterobacter, 슈도모나스 등에도 DNA에 의한 형질전환이 가능하며 플라스미드를 운반체로 사용한다. 대장균을 숙주로 사용할 경우에는 박테리아를 Mg^２+ 을 함유한 용액으로 씻고 4℃에서 Ca²⁺용액에 현탁시켜 재조합 DNA를 이에가하면 도입된 재조합 DNA에 의한 형질이 표현된다. 숙주세포는 재조합 DNA를 받아들일 수 있고, 도입된 재조합 DNA를 안전하게 복제하여야 하며, 또 재조합유전자의 유전정보를 발현시킬 수 있어야 한다.

대장균에서 핵산중간분해효소Ⅰ(endonucleaseⅠ)이 결여된 end A^－ 변이주는 야생주(野生株)보다 형질전환 효율이 높다. 도입된 재조합 DNA가 숙주의 제한효소계에 의해서 파괴를 받을 수 있기 때문에 제한효소 결여주를 숙주로 써야 한다. 또는 숙주세포의 DNA회복 유전인자들(rec gene)에 의하여 재조합 플라스미드의 구조가 변할 수 있기 때문에 이를 방지하기 위하여 rec A^－ 변이주가 숙주로 자주 쓰인다. 또, 재조합 DNA의 존재가 발현되어 RNA와 단백질이 합성될 경우 숙주세포의 생장을 저해하거나 숙주세포에 독성을 주거나 또는 돌연변이율(突然變異率)을 높이는 경우도 있다.

 

고등생물 유전자 재조합기술

고등생물의 핵 속에 들어 있는 거의 모든 유전자에는 중간에 쓸모없는 DNA조각들이 끼어 있으며, 이 점은 미생물의 유전자 구조와 다르다. 따라서, 유전정보가 전사되는 과정이 서로 다르다. 고등생물의 핵 안에서는 RNA중합효소(polymerase)에 의해서 pre-mRNA가 합성된다. 이 pre-mRNA에 들어 있는 쓸데없는 부분(cintron)을 스플라이싱 효소(splicing enzyme)가 제거하고 유전정보가 들어 있는 부분(exon)을 연결한다.

이 과정에서 mRNA의 5'-말단에는 7-메틸구아닐산염이 피로-인산 결합상태로 연결되며, 꼬리 부분인 3'-말단에는 폴리 A가 붙는다. 이와 같은 과정으로 합성된 고등생물의 mRNA는 핵막을 통해 세포질로 나와서 단백질합성에 참여한다. 7-메틸구아닐산염이나 폴리 A는 mRNA가 갖가지 파괴효소로부터 공격받는 것을 방어하는 것으로 알려져 있다. 미생물인 경우는 핵이 없으므로 mRNA는 즉시 전사되면서 단백질을 합성한다.

즉, 스플라이싱계가 미생물에는 없다. 따라서, 고등생물의 DNA를 고등생물의 핵 속에 있는 상태로 추출해서 미생물 속에 이주시키는 데는 여러 가지 문제점이 생긴다. 이 점을 보완하기 위하여 대개의 경우 mRNA로부터 거꾸로 전사한 상보 DNA(complementary DNA)를 만들어서 이것을 미생물에 주입시켜 형질을 발현시킨다. 대개의 경우 특정 세포에서 먼저 mRNA를 추출한다.

일반적으로 올리고(dT)-셀룰로오스나 폴리 U-세파로오스(sepharose)로 폴리 A가 붙은 mRNA를 뽑아서 이를 실험에 이용한다. 흔히 mRNA를 도롱뇽 알에 넣어서 단백질이 합성되게 한다. 원하는 단백질의 합성이 확인되면 그 mRNA를 역전사효소(reverse transcriptase)로 cDNA를 만들고, 알칼리 처리로 RNA를 제거한 뒤 한 가닥 사슬로 되어 있는 cDNA를 주형으로 하여 DNA 의존성 중합효소를 이용해 2가닥의 사슬로 된 cDNA를 합성한다. 이렇게 해서 된 cDNA는 원래의 유전자의 DNA(genonaic DNA)와 달리 인트론은 존재하지 않는다.

이와 같이 거의 순수하게 유전정보를 갖고 있는 cDNA를 합성한 뒤 플라스미드 등의 운반체에 끼워 박테리아에 도입한다. 박테리아는 체내에 들어온 이종 DNA의 유전정보를 그대로 발현하여야 하는데, 대개 이를 검정하기 위하여 유전자운반체에 유전적 표지, 즉 항생제에 대한 저항성, 영양요구형 또는 플라크 형성 등을 이용한다.

최종 생성물질을 선별하기 위해서는 일반적으로 면역학적 방법(radioimmunoassay) 또는 ELISA(enzyme-linked immunosorbent assay) 방법을 이용한다. 근래에 잘 알고 있는 사람의 인슐린, 인터페론 또는 소마토스타틴 등은 이런 방법에 의해서 생산이 시도되고 일부 성공하고 있다.

 

세포융합

인접한 세포들이 융합하여 격막이 소실된 결과 세포의 다핵화(多核化)가 일어나는 현상을 세포융합이라 하는데, 자연계에서는 생식세포의 수정, 또는 근원세포의 다핵 근육세포에로의 분화의 시기 등에서 볼 수 있다. 세포를 배양하는 과정에서 세포융합이 자연스럽게 일어나는 경우도 가끔 있다. 동물의 바이러스 가운데 숙주세포를 높은 빈도로 융합을 유발시키는 능력이 있는 것들이 알려져 있다.

DNA형인 천연두 바이러스와 헤르페스 바이러스(Herpesvirus), 그리고 RNA형인 파라믹소바이러스(Paramyxovirus) 등이 유명하다. 후자에 속하는 센다이바이러스(Sendaivirus:HVI)가 가장 잘 알려져 있으며 감염력을 없앤 HVI의 세포융합 활성을 이용하여 이종세포 상호간을 융합시켜서 잡종세포를 인공적으로 만들 수 있게 되었다.

또, 화학물질에 의해서도 세포융합을 유도할 수가 있으며, 가령 리졸레시틴(lysolecithin)이나 폴리에틸렌글리콜 6000(polyethylen glycol 6000) 등이 알려져 있다. 이것들을 이용하면 동물세포나 식물세포의 세포벽을 제거한 원형질체(protoplast)의 융합도 가능하다.

동물인 경우 쥐와 생쥐, 햄스터와 생쥐, 생쥐와 사람의 세포 사이에 세포융합을 하여 잡종세포를 만드는 데 성공하였다. 문제는 이렇게 융합된 잡종세포가 과연 정상적인 세포로서 기능을 다 할 수 있는지 하는 점이다. 세포가 융합하면 융합된 세포의 핵도 합쳐져서 단일의 핵을 만들고, 두 종류의 세포가 가진 염색체를 가지고 있으며 계속 분열을 하여 집단을 만든다. 그러나 장기간 계속 배양하면 일부의 염색체가 소실되고, 따라서 총염색체의 수가 감소하게 된다.

그런데 서로 다른 종의 세포가 세포주기를 통해서 일어나는 일련의 화학반응의 신호가 다른 쪽의 세포에서도 해독(解讀)된다는 것이 밝혀졌다. 이와 관련해서 잡종세포에서는 기능적으로도 정상인 잡종효소가 합성된다. 예를 들면, 쌍방의 원래 세포와 같은 형의 효소(예:LDH)를 합성한다. 생물학적으로는 세포융합 방법을 통해 세포분화의 기작을 해명하는 데 도움이 된다.

생물공학적으로 가장 각광을 받는 세포융합의 응용은 바로 단일클론성 항체의 생산일 것이다. 즉, 림프잡종세포종(hybridoma)을 이용한다. 하이브리도마란 시험관 내에서 생존 증식이 되는 암세포와 생체로부터 추출한 어느 특정의 분화형질을 가진 대형세포와 융합시켜서 만든 잡종세포를 가리킨다. 이것의 대표적인 것은 림프구하이브리도마이며, 특히 골수종세포(myeloma cell)와 비장이나 림프절에 들어 있는 림프구 가운데 항체산생세포의 선구세포인 B세포를 융합한 잡종세포는 단일 클론항체를 만들며 연구와 임상에 널리 응용된다.

일반적으로 항체를 얻으려고 할 때에는 항원을 동물체에 주입하는 방법에 의하지만, 이때의 항체의 복합체가 만들어진다. 그러나 어느 1개의 항체산생세포는 1종류의 항체만을 만들게 되므로, 골수종세포와 항체산생세포와의 세포잡종으로 항체를 만들어 한 개 한 개의 잡종세포를 클론배양하면 1개의 클론 세포군은 단 한 가지 종류의 같은 항체를 만드는 세포들로만 된다.

이와 같이 해서 얻어지는 것이 단일클론항체이다. 이 항체는 생체, 또는 세포에 미량밖에 없는 물질을 검출하고 동정(同定)하며, 또 생체내에서의 소재를 알아보는 데 유용한 수단이 된다. 암을 비롯하여 간염 등 각종 질병의 진단 ·치료 ·독소의 중화 등에의 실용화도 이미 시작되고 있다. 세포융합에 의한 세포잡종의 이용은 식물체에까지 이르게 된다.

유성생식적으로는 교잡이 전혀 불가능한 이종속간에 세포융합의 방법에 의하여 잡종식물을 만들 수 있게 된 것이다. 식물의 세포잡종을 얻으려면 먼저 세포의 세포벽을 제거하여 원형질체인 프로토플라스트를 만들어야 한다. 원형질체는 세포막으로 싸여 있으며 동물세포와 같은 모양을 가진다. 세포를 고장액(高張液) 속에서 세포벽 분해효소로 처리함으로써 원형질체를 얻을 수 있다.

세포벽 분해효소로는, 세균에는 리소자임(lysozyme), 효모와 사상균에는 달팽이의 소화관액, 고등식물의 세포에는 셀룰라아제(cellulase:섬유소분해효소)가 쓰인다. 세포벽으로부터 빼낸 원형질체는 원래의 세포 모양에 관계없이 구형이며 저장액(低張液)에 옮기면 흡수에 의하여 팽창하여 파열한다. 그러나 적당한 삼투압을 유지하는 배양액에서는 세포로서의 여러 가지 활성을 유지하고, 또 고분자물질이나 입자의 흡수, 세포융합 등 보통의 세포에서는 볼 수 없는 현상을 보여준다.

서로 다른 종의 세포잡종은 두 가지 세포의 유전형질을 동시에 발현한다고 믿어지고 있기 때문에 토마토의 세포와 감자세포를 융합시키면 줄기 위에는 토마토가, 땅밑에는 감자가 달리는 이른바 포마토(pomato:potato와 tomato의 합성어)가 된다.

 

핵치환

어떤 세포로부터 핵을 도려내어 이미 핵을 제거한 다른 세포에 옮기는 것을 핵치환이라 한다. 핵과 세포질과의 관계를 조사하는 수단으로 쓰인다. 이 방법은 발생 ·분화 과정에 있어서의 핵과 세포질의 역할을 알아내는 데 매우 유효하다. 개구리의 발생 도중에 있는 세포의 핵을 무핵란에 이식하면 핵 그 자체가 단계적인 분화를 하고 있음을 알게 되었으나, 이미 분화가 끝난 올챙이의 장의 핵을 자외선을 쬐어 핵을 죽였거나 핵을 도려낸 무핵란에 이식하여 완전한 개구리의 성체까지 발생시키는 데 성공한 예도 있다.

이로 보아 핵은 분화하더라도 그것은 비가역적이 아니라는 것을 알 수 있다. 포유류의 난자에 핵을 이식하려는 실험이 근래에도 활발히 행해지고 있으며, 쥐의 수정란에서 핵을 제거하고 대신 다른 쥐의 체세포핵을 집어 넣어 발생시키는 데 성공하기도 하였다. 이로 보아 고등동물들도 핵을 바꿔치기 함으로써 복제가 가능해질 것이며, 이 방법이 보편화된다면 축산에 크게 기여할 것이다.

위에 설명한 여러 가지 방법은 근본적으로 핵내의 유전물질을 다루면서 그의 형질발현을 이용하여 인류에게 도움이 되는 물질을 생산하게 하는 것이다. 가령 인슐린 ·인터페론 ·성장호르몬뿐만 아니라, 간염왁친 또는 인플루엔자의 왁친생산 등을 재조합 DNA 기술을 활용해서 값싸고 대량으로 얻을 수 있게 하며, 단일클론항체의 생산, 질소고정, 곡물질의 개량, 신품종의 제조, 내성작물의 개발, 광합성촉진 등을 세포융합 등의 방법을 써서 가능하게 하며, 또한 대체식물의 생산, 알코올 ·효소 등을 대량 생산할 수 있다.

그뿐 아니라 폐수의 정화와 대체에너지원의 개발 등 유전공학은 곧 직면하게 될 문제점을 해결하는 분야가 될 것이라고 예견하고 있다. 유전공학은 일반적으로 미생물의 유전자를 다루기 때문에 간혹 발생할지도 모를 잠재적인 위험성을 내포하고 있다. 독성이 있는 미생물이 실험과정에 공기 속으로 누출될 가능성이 있으며, 또한 악성(惡性)인 돌연변이종이 밖으로 누출되어 인간에게 해를 줄 수도 있다. 각국에서는 유전공학 안전지침을 제정, 미생물학자들이 지키도록 하고 있다.

 

출처 : 두산백과사전