공학기술복합시대, 이기준 외

생명 현상을 이해하기 위해 다양한 접근이 이뤄지고 있는데 그 중 하나가 피지오믹스(physiomics, 생리체학)다. 컴퓨터상에 가상세포와 가상장기, 나아가 가상인간을 제작해 놓고 유전자와 단백질 등이 어떻게 상호 작용해 생명 현상을 유지하고 질병을 일으키는지를 종합적으로 연구하는 분야다.

   

1920년대에 자동차용 라디오가 처음 나왔을 때 모두들 사치품이라고 했지만 지금은 필수품이 된 것처럼, 앞으로는 텔레매틱스가 자동차에 포함 될 것….

   

Shotgun Technique: 유전자를 무작위로 잘라낸 후 각각의 조각을 자동서열 분석기로 빠르게 분석한 후 전체 유전체를 그 조각들을 퍼즐을 풀듯이 조합해서 작성하는 방법. 이 퍼즐을 풀기 위해서는 고성능 컴퓨터와 정교한 바이오인포메틱스 알고리즘이 필요하다.

   

시스템 생물학(systems biology)

그물망은 유전자, 단백질, 그리고 생체물질들 사이의 인과관계를 나타내는 것… 이러한 인과관계와 그 정도를 파악하고 외부의 자극이 이 인과관계에 의해서 어떻게 전체 네트워크에 전파되고 조절되는지를 연구하는 것이 바로 시스템 생물학이다. 이것은 그 복잡함 때문에 기존의 생물학적 방법으로는 연구가 불가능하며 가장 효과적인 연구방법 중의 하나는 컴퓨터를 동원한 시뮬레이션을 통한 연구이다. 이처럼 생물학을 연구하기 위해 물리학이나 화학 연구에서나 사용될 법한 컴퓨터 시뮬레이션 등의 기법을 통해 생물학을 정량적으로 연구하는 것이 요즘 가장 각광받는 바이오인포메틱스의 한 분야이다.

   

무작위적 신약개발의 한계를 극복하기 위해 등장하고 잇는 신약개발 방법이 이성적 신약개발(Rational Drug Design)이다. 이중에서 질병과 직접적으로 관련이 되어있는 단백질의 구조에 대한 지식을 바탕으로 한 구조기반 신약개발(Structure-based Drug Design)이 가장 널리 쓰이는 방법이다. 단백질이 그 기능을 발휘하기 위해서는 촉매부위(Active site)라고 불리는 특정한 자리에 화합물이 결합되어 활성화되어야만 한다. 만약 단백질의 촉매부위가 어디에 있고 어떻게 생겼는지 안다면 우리는 그 촉매부위에 강력하게 결합할 수 있는 화학물질을 설계하고 합성하여 단백질과 그 단백질을 활성화시키는 화합물의 결합을 막아버림으로써 그 단백질의 기능을 마비시킬 수 있을 것이다.

이렇듯이 질병과 관련된 단백질의 촉매부위에 대한 지식을 바탕으로 그 단백질의 기능을 마비시킬 수 있는 화합물을 설계함으로써 그 질병에 대한 신약을 개발하는 방법이 구조기반 신약개발이다.

   

DNA상에 있는 유전정보를 활용하여 단백질을 만들기 위해서는 단백질에 대한 유전정보가 잇는 부분을 mRNA라고 복사본으로 전사(Transcription)한다. 전사된 mRNA가 단백질이 합성되는 리보좀(Ribosome)으로 전달되는데 mRNA상의 서열정보를 이용하여 단백질을 만드는 과정을 전이(Translation)이라고 한다.

이러한 과정을 제과점에 비유하면 이해가 쉽다. 제과점(ribosome)에서 만들 수 있는 모든 종류의 빵(단백질)에 대한 레시피를 염색체(또는 DNA)라고 생각할 수 있다. 레시피(DNA)는 각 제과점에 하나 밖에 없는 소중한 자료이므로 빵을 만들 때에는 특정 빵을 만드는 데 필요한 제빵법(유전자)이 있는 페이지만 복사(RNA)를 해서 사용한다. 이때 제빵법에 따라 빵을 만들게 된다. 여기서 본점에서 공급되는 요리책에 오자(돌연변이 등)가 있으면 그것을 사용한 제과점에서 만든 빵은 다른 제과점과는 뭔가는 다를 것이다. 요리책을 복사하는 과정에서 복사가 선명하게 되지 않아도 비슷한 결과가 초래될 것이다. 예를 들어 중력 대신 강력분을 사용했거나 설탕 반 컵 대신 한 컵을 쓰게 되면 맛과 질이 다른 빵이 만들어진다. 아니면, 150도 35분 구워야 하는 빵을 250도 55분 구우면 타서 버리게 된다. 물론, 그 결과가 오히려 맛있는 빵이 될 수도 있겠지만 대부분의 경우 이상한 빵이 만들어질 것이다. 즉, 빵을 망쳐 못 먹게 되는 것과 마찬가지로 단백질이 제 기능을 못해 질병의 원인이 되기도 한다. 단백질의 기능에 치명적인 이상을 가져오는 원본 유전자의 염기서열 정보를 알면 사전에 이상의 유무를 확인할 수 있다. 여기서 원본 자체에 오자가 있으면 그 제과점에서 만드는 모든 빵이 다르게 만들어질 것이고, 복사만 이상하게 되었으면 그 때만 이상한 것을 만들고 다음에 다시 복사해서 만들 때는 제대로 만들 수 있다.

이러한 치명적인 변이와는 달리 미세한 변이도 수없이 많이 존재한다. 각 개인의 개성이 바로 이러한 변이들로 인해 결정되는 것이다.

   

실제로 mRNA로 전사되어 단백질을 규명하는 유전자 부위는 전 염색체의 1.1퍼센트에 불과하다. 나머지는 DNA는 정크 DN라고 불리우며, 유전자의 발현을 조절하거나 구조적인 역할을 하는 것으로 생각된다. 유전체(게놈) 프로젝트는 전 염색체(Genomic DNA)의 서열을 밝히는 것을 목표로 삼았지만, 역시 중요한 것은 염색체 중에서 유전자 부위를 규명하는 것이다. 이때 모든 mRNA만을 분리한다면 세포 내에서 발현되고 있는 모든 유전자를 파악할 수 있다. 전사된 mRNA를 추출하여 역전사(Reverse Transcription)를 통하여 서열분석이 훨씬 용이한 DNA 형태로 전환시킬 수 잇는데, 이를 cDNA라고 한다. 염색체 서열과 유전자인 cDNA의 서열을 비교, 분석해 보면 염색체 중에서 유전정보 부위를 규명할 수 있다.

이미 알려지고 연구되어 왔던 유전자는 각기 이름이 붙여졌고, 아직 기능이 밝혀지지 않은 유전 부위를 EST(Expressed Sequence Tag)라고 하며 이들 EST의 기능을 밝히는 작업이 유전체(게놈) 프로젝트의 중요한 과제이다. 인간의 유전체는 약 30억 개의 염기쌍으로 구성되어있고 한 세포 내에서는 한 쌍의 염색체가 존재하므로 인간의 유전체에는 60억 개의 염기쌍이 존재한다.

   

이러한 염기들의 상보적인 성질이 DNA칩의 기본 원리이다. 가장 안정된 이중나선 형태를 이루려는 것이 DNA의 기본 성질인데 염기쌍을 많이 이룰수록 안정된 형태이다. 이를테면, 100개의 염기쌍을 이룬 이중가닥보다는 150개의 염기쌍을 이룬 이중가닥이 더 안정하고 연이은 염기쌍이 많을수록 DNA의 두 가닥 간의 결합이 강하다. 염시쌍은 단순한 자석의 상극끼리의 인력보다는 조금 복잡하게 온도가 상당한 영향을 미친다. 온도가 올라가면 제 아무리 긴 서열의 이중가닥을 형성하였다 하더라도 염기 간의 인력이 약화되어 두 가닥이 떨어지게 된다. G-C가 A-T보다는 강하기 때문에 동일한 온도에서는 G-C가 많을 수록 안정된 형태를 이룬다. 이 때문에 흔히 G-C 함량을 많이 언급하게 된다. 여기서 온도 등의 영향으로 하나의 결합된 이중나선 형태에서 2개의 단일 가닥으로 떨어지는 과정을 변성(Denaturation)이라고 하고 2개의 단일 가닥이 제 짝을 찾아 다시 이중나선 형태를 이루는 과정을 재생(Renaturation)이라고 한다. 여기서 두 가닥의 DNA끼리 염기쌍을 이루면서 결합하는 현상을 접합(Hybridization)이라고 한다.

이러한 DNA의 성질을 실험적으로 처음 이용한 것은 에드윈 서던 박사이다. 전 염색체를 제한효소로 자른 후에 잘린 DNA를 크기 별로 분리하여 단일 가닥 형태로 변성시켰다. 알고 있는 DNA를 탐침으로 이용하여 찾고자 하는 DNA와 접합을 시켜서 위치를 확인할 수 있었다. 이때, 크기별로 분리한 전 염색체를 니트로셀룰로오즈(nitrocellulose)라는 직물 표면 위에 부착을 시켰고 탐침을 방사성 동위염소로 표식화(labeling)하여 표적(target) DNA와 재생시켜 액스레이 필름을 이용해 방사성에 노출된 위치를 확인하여 표적의 위치를 파악할 수 있었다. 이러한 실험법을 서던 블롯(Southern Blot)이라고 부르고, 비슷한 방법으로 발현되고 있는 유전자를 mRNA를 크기 별로 분류하여 유전자의 발현을 확인하는 실험법을 노던 블룻(Northern blot)이라고 부르게 되었다. DNA칩은 이러한 접합 성질을 이용하여, 근본적으로 수많은 유전자를 동시에 탐색할 수 있도록 각유전자에 대한 탐침을 아주 적은 면적에 집적시켜 놓은 것을 말한다.

   

DNA칩 제작에는 프린터 제작 기술도 응용되고 있다. 프린터 잉크 분사기술은 DNA칩 표면에 나있는 미세한 홈에 원하는 양만큼 DNA를 뿌려주는 데 이용됐다. 세계적인 프린터 제조업체인 휴렛팩커드사가 미 에너지부 산하 아르곤국립연구소와 DNA칩 개발 공동프로젝트를 할 수 있었던 건도 바로 압전소자를 이용한 잉크 분사기술 덕택이다.

   

나노바이오기술의 융합은 크게 두 가지 방향으로 진행되고 있다. 첫째, 나노기술을 이용하여 생명체를 구성하는 바이오물질을 나노미터 크기의 수준에서 조작, 분석하고 이를 탐구, 제어 할 수 있는 바이오기술을 융합해 응용하는 방향과 둘째, 생명체 혹은 바이오물질을 구조 및 상호 작용에 관한 바이오기술을 새로운 나노공정과 나노소자 개발에 응용하는 방향이다.

   

랩온어칩: 나노기술을 응용하여 일련의 분석기기를 하나의 칩상으로 구현한 랩온어칩….

   

간접합성: DNA spotting

이미 만들어진 DNA를 유리판 위에 찍는 방식(Deposit)은 1995년 미국 스탠퍼드대학의 생화학과에서 처음 개발되었으며 약 3-4천 개의 유전자를 약 1제곱센티미터 안에 붙일 수 잇따. 이를 테면, 각 유전자가 찍힌 점의 지름을 대략 100-200 마이크로미터(10_-6)에 불과하다. 처음에는 유전자 발현 측정을 목적으로 cDNA를 붙여놓은 칩을 만들었기 때문에 cDNA 마이크로어레이칩이라고 지칭되었지만 지금은 이미 합성한 올리고뉴클레오티드를 같은 방식으로 심은 올리고칩도 개발되었다. 여기서 사용되는 올리고의 크기는 보택 애피메트릭스사에서 사용하는 'In Situ Synthesis' 방식의 올리고보다 크기가 큰 50-70mer 올리고를 사용한다. 이들 각각의 올리고는 전체 유전체에서 유일한 염기서열을 가지며 하나의 유전자를 대표한다. cDNA칩은 일반적으로 길이가 1000-2000 개의 염기쌍이 있는 비교적 긴 DNA를 사용하기 때문에 정확도가 다소 떨어진다. 특정 유전자가 고유의 탐침과 결합 뿐만 아니라 서열이 유사한 다른 탐침에도 결합할 수 있기 때문이다.