합성생물학, 방두희 교수님과의 인터뷰

질문1. '다중 위치 게놈 엔지니어링' 기술을 개발함에 있어 가장 까다로운 점은 무엇이 있을까요?

 

  우리가 원하는 형질을 가진 생명체를 만드는 데에는 새로운 게놈을 합성하는 방법과 기존에 존재하는 생명체의 염기 서열에 조작을 가하는 방법을 생각해 볼 수 있습니다. 아직까지 게놈 전체를 합성하는 것은 그 비용과 노력이 매우 많이 필요하기 때문에 연구자들은 필요한 부분만을 조작하는 방법을 택하고 있습니다. 전통적인 게놈의 조작은 상동 재조합을 통해 이루어집니다. 이 방법은 그 효율이 매우 낮고 오랜 시간이 필요하여 많은 노력이 필요하였습니다. 그 이후 lambda phage에 있는 red 재조합 시스템에 대한 연구가 활발히 이어져 게놈 조작의 새로운 방법으로 널리 이용되고 있습니다. 하지만 red 재조합 시스템은 한 번에 한군데 밖에 조작하지 못하기 때문에 다단계로 되어있는 생명을 이루는 케미컬의 생성 경로 조작에 큰 어려움이 있었습니다. 이를 극복하기 위하여 많은 연구가 수행 되었고, 2009년 Multiplex Automated Genome Engineering(MAGE)라는 기술이 탄생하게 됩니다. MAGE는 올리고를 이용하여 동시에 수많은 타겟 위치를 한꺼번에 조작하는 기술로 현재 개발된 방법 중 가장 많은 타겟을 한꺼번에 조작할 수 있는 방법입니다. 이 기술은 위의 red-재조합 시스템을 이용한 것으로 한꺼번에 각각 다른 부분을 타겟으로 하는 많은 올리고를 이용하여 재조합이 일어날 때 최대한 많은 부분이 바뀔 수 있도록 하였습니다. 또 이를 바탕으로 우리 연구진은 Co-selection MAGE 라는 방법을 개발하여 비교적 낮은 효율이었던 MAGE의 효율을 극대화 시키는 데에 성공하였습니다. 저희는 Co-selection MAGE를 트립토판 생합성 경로 엔지니어링 하는 연구에 적용하였는데, T7 프로모터 시퀀스를 대장균 트립토판 생합성 경로에 연관된 12개의 유전자에 삽입하는 실험을 진행하였으며, MAGE의 상대적으로 낮은 효율이라는 단점을 극복하고 좀 더 손쉽게 게놈을 조작할 수 있게 되었습니다. 아직까지 다양한 크기의 유전자를 빠르고 쉽게 게놈에 삽입하는 방법, 엔지니어링 기술의 효율 증대 등이 숙제로 남아 있습니다. 하지만, 동시에 수많은 타겟을 엔지니어링 할 수 있는 것만으로도 유전자 조작에 필요한 시간을 획기적으로 감축시켰기 때문에 앞으로의 발전과 응용이 매우 기대되는 중요한 기술입니다.

 

질문2. 합성생물학의 활용은 구체적으로 어떤 것들이 있을까요?

 

  미생물 유전체의 여러 위치를 동시에 초고속으로 엔지니어링 하는 기술은 고부가가치 바이오 케미컬 생산을 최적화 할 수 있는 21세기의 프런티어 기술입니다. 또한 다중 자동화 게놈 엔지니어링과 차세대 시퀀싱 기술을 접목하여 획기적이고 새로운 기술을 개발될 것으로 생각됩니다. 궁극적으로 게놈을 우리가 원하는 대로 변형 시켜, 타겟이 되는 세포에서 항체, 의약품, 바이오 케미컬, 바이오 연료 등을 생산 할 수 있을 것입니다. 예를 들어 설명하면, 향후 5~10년내에 원유에서 정제되어 산업적으로 사용되는 케미컬이 상당부분 미생물에서 생산된 바이오 케미컬로 대체될 가능성이 있습니다. 지난 십 수년간의 대사공학의 발전이 만약 합성 생물학의 기법과 융합되어 원하는 세포 게놈을 빠른 속도로 엔지니어링 한다면, 바이오 유래 케미컬이 원유 유래 케미컬을 일정부분 대체할 수 있는 경쟁력을 가질 것이라 기대합니다.

 

질문3. 최근 ENCODE PROJECT 결과가 발표되었는데요. 합성생물학에는 어떤 영향 혹은 의미가 있을까요?

 

  현재 합성 생물학의 연구 영역이 대부분 미생물 수준에 머물러 있으며, 동물 세포 수준으로 발전하지 못하고 있는데요. 크게 두 가지 한계가 있습니다. 첫 번째로 동물 세포의 게놈을 원하는 방식으로 엔지니어링 하고, 이로 인한 표현형을 찾아가는 과정이 매우 어렵고, 두 번째로 동물세포의 게놈과 이의 표현형에 대한 정보가 매우 불완전하여, 게놈엔지니어링으로 인한 표현형을 예측하기가 어려웠습니다. 최근 TALEN등을 이용한 동물 세포 엔지니어링 기술이 개발되었으며, 이에 준하는 합성 생물학 기법들이 많이 나올 것으로 기대합니다. 이러한 방법론을 통해 동물 세포 게놈을 엔지니어링 할 수 있는 플랫폼 기술들이 완성 되어갈 것입니다. 문제는 엔지니어링의 대상이 되는 세포에 대한 정보의 부재였는데요. 예를 들어 원하는 표현형을 가지는 세포를 획득하기 위한 게놈의 엔지니어링은 정확한 게놈 정보의 이해를 바탕으로 수행할 수 있습니다. 이러한 의미에서 최근 ENCODE PROJECT의 완성은 합성생물학의 발전에도 매우 중요한 의미를 가진다고 생각합니다. 합성 생물학 기술과 최근의 ENCODE PROJECT 결과를 의미 있게 적용될 수 있는 분야가 줄기세포 (무엇보다도, iPS cell) 엔지니어링과 종양 생물학 분야라고 생각합니다. 최근의 수 많은 인간 게놈 시퀀싱 결과물, ENCODE PROJECT의 진행은 합성생물학의 연구 영역이 인간의 영역으로 넓혀질 토대를 제공할 것이라고 생각합니다.

 

질문4. 하버드 조지 처치 교수에게서 유전학을 배우셨다고 들었습니다. 조지 처치 교수는 자발적 참여를 통해 개인의 게놈을 공개하는 개인 게놈 프로젝트를 진행하고 계신데요. 해당 프로젝트가 개인 유전정보 시대에 있어 어떤 의미를 가질까요?

 

  조지 처치 교수님과 게놈 연구재단의 박종화 박사님 모두 개인 게놈 프로젝트에 대한 매우 적극적으로 연구를 진행 중인 것으로 알고 있습니다. 크게 세가지로 생각해 봅니다. 먼저 산업 효과 인데요, 개인 게놈 프로젝트로 인해 기존에는 생각 할 수 없는 영역의 의학/생명 산업이 도래 할 것이라고 생각합니다. 새로운 기술이 인류의 보편적인 가치에 적용되면서 새로운 산업이 생겨나고, 커다란 부를 창출한 예는 주로 전자 산업에서 목격해 왔습니다. 개인 게놈 프로젝트가 생명/의학 산업에 미치는 영향이 얼마나 커갈 것인가는 예측하기 힘들지만, 확실한 점은 인터넷의 발전이나, 개인 컴퓨터의 사용과 비슷한 수준의 파급효과, 또는 이를 뛰어 넘을 수 있는 새로운 산업이 생명/의학 분야에서 차세대 시퀀싱의 개발과 개인 게놈 프로젝트로부터 시작 될 것이라고 생각합니다. 두 번째, 세 번째로 개인 게놈 프로젝트가 앞으로 개개인의 질병 치료에 기여하는 바와 개인 유전 정보의 보호의 어려움으로 인해서 야기되는 현재 예측할 수 없는 문제가 있을 것이라 생각합니다. 제 개인적인 느낌은 개인 게놈 프로젝트가 인간의 건강 증진에 기여할 수 있는 순기능이 너무 많아서, 대중들과 학자, 그리고 정책 입안자 분들은 개인 유전 정보를 효율적/윤리적으로 관리할 수 있는 방안들을 도출해 나가지 않을까 생각합니다.

 

질문5 개인 게놈 시대를 준비함에 있어 가장 중요하게 생각하시는 것은 무엇인가요?

 

  가장 중요하다기 보다는… 개인 유전 정보의 효율적 이용에 대한 많은 고민을 해봐야 할 시기가 아닌가 하는 생각을 합니다. 실제로 앞으로 개인 게놈 시대의 도래와 더불어 여러 윤리적인 문제가 생길 수 있다고 생각합니다. 이 분야를 공부하는 한 사람으로써 개인 게놈 시대에 일어날 수 여러 윤리적 문제들을 고민해 보고 싶습니다. 산업계와 의료계, 정부에서 가장 중요하게 다루어야 할 방향은 어떻게 하면 개인 게놈 정보를 의료와 인간 복지 증진을 위해 극대화 할 수 있는가에 대한 실현 방향 연구라고 생각합니다. 이미, 차세대 시퀀싱으로 단백질 코딩 영역의 개인 유전정보를 획득함으로써, 특정 질병에 대해서는 기존보다 더 효율적으로 치료 가이드라인을 적용할 수 있는 여러 예가 나오고 있습니다. 이러한 개인 게놈 정보를 인간 복지 증진에 이용하는 플랫폼을 개발하는 것은 매우 중요한 당면 과제라 생각합니다.

 

질문6. 유전정보를 바라보는 시각은 크게 개인정보와 의료정보로서 다뤄지고 있는데요. 교수님의 생각은 어떠신가요?

 

  개인적인 생각으로는 개인 정보라고 믿습니다. 하지만 의료계에서는 유전정보를 의료 정보라 여기는 것이 또한 당연하다고 생각합니다. 개인과 집단의 이익이 서로 충돌 할 수 있는 영역이라 생각하며, 가지고 있지 않는 권리를 주장하지 않는 지혜가 필요하다고 생각합니다. 질병 치료를 위해 필요한 유전정보는 의료정보로 다루는 것이 맞고, 개인의 삶으로써 스스로를 알아가는 영역의 유전 정보는 개인 정보로 다루는 것이 옳다고 생각합니다. 예를 들어, 제가 특정 질병에 노출될 확률이 높은 유전자를 가졌다는 것을 아는 것은 매우 개인적인 이해라고 생각하지만, 추후 제가 그 특정 질병에 노출된다면, 저의 개인 정보가 의료 정보의 영역으로 넘어가는 과정을 거치지 않을까 생각합니다.