합성생물학
연구방법

연구방식은 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 이는 탑다운(Top-down)방식과 바텀업(Bottom-up)방식이다. 탑다운 방식은 자연계에 존재하는 생명체의 유전자를 변형시키는 방식이다. 하나의 세포로 이뤄진 미생물을 예로 들면, 미생물의 유전자 일부를 바꾸는 것이다. 미국 스탠포드대에서 각각의 유전자를 기계의 부품처럼 만들어 다양하게 조합한 후 미생물에 삽입을 시도하고 있는 드루앤디(Drew Endy)의 접근이 한 가지 사례이다. 또 미국 UC버클리의 제이 키슬링(Jay Keasling)이 식물의 유용 유전자를 미생물에 대량으로 삽입하고 있는 것도 이에 해당한다. 이에 비해 바텀업 방식은 화학물질에서 시작해 생명체의 구성요소를 하나하나 만들어 내는 방식이다. 그래서 합성생물학 관련 영문저술에는 종종 ‘무에서 유를 창조한다’는 의미에서 ‘Starting from scratch’라는 즉, ‘처음에서 시작한다’는 뜻의 관용어구가 등장한다. 미생물의 유전자 염기서열을 하나하나를 만든 후 이들을 연결시켜 인공유전체를 합성한 미국의 크레이그 밴터(J.Craig Venter)의 접근이 대표사례이다.
특히 미국 스탠퍼드대 드루 엔디(Drew Endy)의 연구는 유전자의 대량을 가능하게 만든 토대를 마련했다. 엔디는 생명체를 DNA라는 정보를 지닌 유전자 회로로 구성된 하나의 컴퓨터 또는 기계라고 파악한다. 이 생명정보인 DNA를 컴퓨터에서 조작해 가상 생명체를 만들고, 그 결과를 실제 생명체에 적용함으로써 다양한 응용가능성을 제시하였다. 엔디는 유전체를 변형하는 전체 과정을 DNA, 부품(Parts), 설비(Device), 시스템(Systems) 등 4단계로 구분해 개념적 위계를 제시했다. 여기서 DNA는 유전물질, 부품은 DNA결합단백질 같이 기본적인 생물학적 기능을 수행하는 장치, 설비는 인간이 요구하는 기능을 수행하도록 부품들이 다양하게 조합된 장치, 그리고 시스템은 다양한 설비의 조합물을 의미한다. 엔디는 설비와 시스템 수준에서 스위치를 비롯한 작동환경을 구현해 자체적으로 하나의 독립 기능을 수행하는 표준부품을 만들어내고 이를 바이오브릭(Biobricks)이라고 칭했다. 엔디가 설립한 바이오브릭재단(BioBricks Foundation)의 홈페이지에는 1500개 이상의 바이오브릭이 등록돼 있으며 누구나 무료로 사용할 수 있다. 엔디는 연구자들이 구조와 기능이 명확한 각 바이오브릭을 조합해 컴퓨터에서 작동 여부를 시뮬레이션한 후 이를 실제로 대장균이나 효모 등 미생물에 직접 넣어 결과를 확인하도록 독려하고 있다. 2005년 엔디는 코돈 디바이스라는 생명공학 벤처회사를 설립했는데, 이 회사는 원하는 생명체를 설계하는데 필요한 다양한 기본 부품을 제조하는 바이오팹(biofab)을 지향하고 있다.
2010년 5월 최초로 인공세포를 합성하는데 성공하여 합성생물학의 발전을 이끌어 낸 크레이그 벤터 연구소의 연구팀(총 24명)이 합성세포를 만들어 내는 연구에서 쓴 방법은 벤터 연구소가 지난 15년 동안 하나하나씩 실현해온 여러 요소 기술들을 한데 엮어 완성한 것이다. 이미 연구팀은 미코플라스마 미코이데스(Mycoplasma mycoides)라는 박테리아에 있는 자연상태의 DNA를 다른 종의 박테리아인 미코플라스마 카프리콜룸(M. capricolum)의 세포 안에 이식하는 기술을 확립하는 데 성공했다. 또 합성해 인공으로 만든 미코플라스마 게니탈리움(M. genitalium)의 유전체를 효모 세포에 복제하는 데 성공한 기술도 갖추고 있었다. 그 후 자연 상태의 M. 미코이데스 박테리아 유전체를 모방한 합성 게놈을 만들어냈으며, 이것을 세포의 거부반응을 일으키지 않도록 제어하면서 M. 카프리콜룸 박테리아의 세포에 집어넣어 ‘합성 게놈’이 자연상태처럼 작동하는 것을 확인했다. 2007년 8월 3일 미국 과학저널 <사이언스(Science)>에 미코플라스마 마이코이데스라는 미생물의 유전체를 분리하고 이를 미코플라스마 캐프리콜럼에 이식해 ‘종 변환’에 성공했다는 연구결과를 발표했고 2008년 1월 24일 <사이언스>지에 미코플라스마 제니틸리움의 유전체를 인공적으로 합성하는데 성공했다고 보고했다. 인공으로 합성해 만든 M. 미코이데스 박테리아의 게놈은 총 108만 염기쌍으로 구성됐다. 이렇게 다른 박테리아 세포에 넣어진 합성 게놈은 자기복제와 번식 등의 생명체 기능을 제대로 구현해냈다. 자연 상태의 DNA에는 종마다 다르게 생화학 물질인 ‘메틸기’가 고유하게 달라붙어 있는데 인공의 합성 게놈의 디엔에이에는 이런 메틸기가 붙어 있지 않아, 이식 때 쉽게 외래 물질로 인식되고 이에 따라 거부반응을 일으킨다. 연구팀은 이런 거부반응을 줄이고자 합성 게놈의 디엔에이에 메틸기를 붙이는 방법을 개발해냈고, 또한 합성 게놈을 이식받는 카프리콜룸 박테리아에선 이식을 방해하는 특정 기능을 제거했다. 연구팀은 합성한 게놈이 자연상태의 게놈과는 다른 것이며 합성 게놈을 벤터연구소가 만들었음을 기록해두고자, 합성 게놈의 디엔에이 염기서열에 숨겨진 ‘워터마크’도 함께 넣어두었다.
| 연도 | 합성세포 탄생의 연구적 배경 |
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1995년: M.제네탈리움 게놈 해독 - 미국 게놈연구소(TIGR)의 크레이그 벤터 박사팀은 세포로 이루어진 생명체 가운데 게놈 크기가 가장 작은 기생 박테리아 M.제니탈레움의 게놈(약 58만 염기)을 해독함, M.제니탈리움은 단백질 유전자가 480개에 불과함.
1999년: M.제니탈리움 최소 게놈 연구 - TIGR의 벤터 박사팀은 M.제니탈리움의 유전자를 하나씩 고장낸 뒤 박테리아의 생존여부를 확인한 결과 100여 개의 유전자가 없어도 생존에 지장이 없다는 것을 결과를 얻음, 그러나 이 유전자들을 동시에 여러 개 고장낼 경우 박테리아가 산다는 보장이 없고 이를 확인하는 실험의 경우의 수가 너무 많아 추가 연구가 보류 됨.
2002년: 최초로 바이러스 게놈 합성 성공 - 미국 스토니브룩 뉴욕주립대 엑카드 웜머 교수팀은 RNA 염기 7500개로 이루어진 소아마비바이러스의 게놈과 상보적인 서열의 DNA가닥을 합성함.
2007년: 이종 간 박테리아 게놈 이식 성공 - 크레이그벤터연구소(JCVI)의 연구자들은 M.마이코이데스의 게놈을 분리해 가까운 친척 박테리아인 M.카프리콜룸 세포에 이식하는 실험에 성공함. 세포분열로 M.마이코이뎃의 게놈을 갖게 된 세포는 추기로 분열하면서 점점 M.마이코이데스를 닮아감. 이식 박테리아의 전체 단백질 패턴을 분석한 결과 M.마이코이데스와 일치함. 한편 M.제나탈리움 게놈을 M.카프리콜룸 세포에 이식하는 실험은 실패함.
2008년: 최초로 박테리아 게놈 합성 성공 - JCVI의 연구자들은 58만 염기로 이뤄진 M.제니탈리움의 게놈을 합성하는데 성공. 먼저 DNA합성기로 염기 수십 개 길이의 DNA를 합성하고 이를 효소로 이어 붙여 수천 개 길이의 조각을 만든다. 이 조각을 효모에 넣어 게놈을 완성. 이렇게 만들어진 합성게놈을 M.카프리콜룸 세포에 넣었으나 합성세포를 얻는데는 실패함.
2010년: 최초의 합성세포 창조 - JCVI의 연구자들은 108만 염기로 이뤄진 M.마이코이데스의 게놈을 합성하는 데 성공함. 이렇게 만들어진 합성게놈을 M.카프리콜룸 세포에 넣어 마침내 합성세포를 얻는 데 성공함.