제2장 생명공학의 발달사

1. 서론 수천 년 전 인간은 주위에서 발견한 식물의 과일과 씨앗을 모아 삶을 영위했다. 크고 작은 동물을 모두 사냥하고 식량으로 이용 동∙식물이 고갈되면 군락지를 동∙식물이 풍부한 곳으로 쉽게 옮겼다. 세월이 지나면서 동∙식물이 자라는 환경을 변형시킴으로써 스스로 식량을 생산하는 데 이용할 수 있음을 깨닫고 한 곳에 정착할 수 있게 되었음  생명공학의 시작 제일 우수한 식물을 골라 그 씨앗을 저장한 것이 식물육종과 작물생산의 시작 동물을 길들여서 고기로 이용하거나 가죽, 발굽, 뿔, 기타 여러 부분의 쓰임새를 알게 됨. 힘줄을 도구나 기구들을 엮어 쓸 수 있을 만큼 아주 강한 끈으로 사용. 발굽은 끊여 매우 강한 풀을 만들고 가죽은 이어 붙여 옷이나 오두막을 만드는데 이용. 그림 2.1 생명공학은 인간이 스스로 식량을 재배하면서 시작되었다.

2. 생명공학과 문명의 확대 정착해서 살고 이어 마을과 도시의 발달 식물과 동물 생산물이 물물교환 방식으로 거래되던 시스템은 화폐를 매개로 교환되는 시스템으로 발달

>>> 식품저장 사람들은 자신이 생산한 상품을 들고 먼 곳으로 여행을 다니며 다른 이들과 교환하여 원하는 물건을 구했다. 먼 곳으로 여행하기 위해서는 식품을 저장할 필요가 있었기 때문에 이들은 식품을 보존하는 방법을 궁리하기 시작. 우유가 담긴 위 주머니를 낙타로 운반하는 과정에서 치즈를 제조하는 방법을 발견했다는 이야기가 있다. 주머니 속에서 출렁거리면 우유는 치즈가 되었다. 지금은 레닌 (rennin, 낙타의 위안에 존재하는 효소)이 응고과정을 유발함을 알고 있음 매년 전 세계적으로 수천 톤의 치즈가 생산되고 매우 영양가 높은 일상의 음식으로 제공된다.

발효 (fermentation)과정을 이용하면 주스를 사용 가능한 상태로 저장할 수 있음을 발견. 와인산업이 시작 그림 2.3 와인은 포도 주스를 보존하는 방법으로 제조된 것이다.

>>> 빵 제조 많은 풀 씨앗이 먹기에 좋고 밀 같은 어떤 풀은 빻아서 소맥분이라고 불리는 가루로 만들 수 있는 씨앗을 많이 생산한다는 것을 알았다. 아마도 처음 이 가루로 만든 빵은 별로 맛이 없었을 것이다. 어떤 사람이 특정한 종류의 효모 (yeast)를 빵에 섞음으로써 가볍게 부풀어 오르는 맛있는 덩어리가 된다는 것을 발견했을 것이다. 수백 년 동안 인간은 다양한 종류의 제빵 기술을 발전시켰다. 그림 2.4 누군가 빵에 효모를 섞으면 가볍고 부풀어 오르는 덩어리가 되는 것을 발견했다.

3. 유전과학 수천 년 동안 사람은 야생에서 발견한 작물을 재배하기 위해서 씨앗을 모았다. 단지 양이 많고 질이 좋은 열매가 열리는 식물을 선택하는 것이었다. 동물의 경우에는 야생 상태의 것을 길들여 식물에서처럼 교배시키기에 가장 적당한 동물을 선택했다. 식물이나 동물에서 종류가 다른 것들을 교배하여 부모보다 더 뛰어난 능력을 갖는 자손을 번식시킬 수 있음을 깨달았다. 다른 지역에 자라는 약간 다르게 생긴 밀과 자신의 지역에서 자라는 밀을 교배시켜서 교잡종을 생산할 수 있음을 알았다. 교잡종이란 각기 다른 부모로부터 교배된 동물이나 식물의 한 종류를 말한다 (식물육종의 시작) 그림 2.5 누군가 서로 다른 종류의 밀을 서로 교잡시킨 것에서 시작된다.

멘델은 정원 완두콩의 줄기와 열매가 외관상 차이가 보이는 것에 관심을 두었다. 1800년대 중반에 오스트리아 태생의 신부 그레고리 멘델 (Gregor Mendel)은 생물의 형질이나 특성이 부모에서 자손으로 유전되는 방법에 관한 이론을 세웠다. 멘델은 정원 완두콩의 줄기와 열매가 외관상 차이가 보이는 것에 관심을 두었다. 수 년 동안의 관찰을 토대로 멘델은 완두콩의 유전에 대한 이해를 구조화했다. 분리의 법칙 독립의 법칙 멘델의 법칙은 미래 육종 연구계획의 근거를 제공 그림 2.6 유전이론은 오스트리아의 한 신부가 어떻게 정원 완두콩의 형질이 한 세대에서 다음 세대로 전달되는지를 연구한 것에서 시작한다.

<Law of segregation>

<Law of independent assortment>

4. 세포의 발견 생명공학의 발달사에 가장 처음으로 기록될 이정표는 현미경이 발견된 1600년대이다. 1665년에 과학자 로버트 훅 (Robert Hook)은 아주 얇게 자른 코르크 단면을 현미경으로 관찰했다. 훅은 작은 공간들을 관찰하고 수감자가 사는 작은 감옥같이 생긴 이 구조에 대해 세포 (cell)이라 이름 붙였다. 오랜 시간의 연구와 탐구로 세포의 작용에 대한 많은 이론이 세워졌다. 살아있는 세포의 기능을 이해하면서 쌓인 지식은 다른 과학자들로 하여금 세포를 변형해 인간에게 더 유용한 산물을 만들 수 있는 길을 열었다. 그림 2.7 과학자들은 현미경이 발견된 17세기에 처음 세포를 연구하였다.

5. 질병 예방과 치료 19세기 후반에 병원균을 발견하면서 동물과 인간의 안녕과 건강에 큰 진보가 있었다. 그때까지는 왜 동물과 인간이 병에 걸리는지 아무도 몰랐다. 병원균이 발견되자 질병을 치료하고 예방하는 수단들이 현실화되었다. 프랑스의 과학자 루이스 파스퇴르 (Louis Pasteur)가 질병에 걸리지 않는 방법을 개발 파스퇴르는 탄저병이라는 치명적인 질병에 감염되었다가 살아난 양의 피를 건강한 양에 주사하는 것으로 병을 예방할 수 있다는 것을 발견

다른 과학자들은 이 연구에 주목하고 동물이 질병 없는 환경에서 자랄 수 있도록 새로운 백신 (vaccine)을 많이 개발 예방접종은 사람에게 이용되어 인간의 삶에 있어 커다란 진보를 가져왔다. 천연두 등과 같은 무서운 질병도 백신을 접종함으로써 예방되었다. 그림 2.8 예방 접종의 발달은 동물과 인간의 건강에 있어 큰 진보를 가져왔다.

플레밍은 그 곰팡이가 다른 박테리아의 성장을 방해하는 어떤 물질을 방출하는 것으로 파악했다. 1920년대 후반, 알렉산더 플레밍이라는 스코틀랜드 과학자가 연구하던 박테리아 배양접시 중 하나가 페니실리움 (Penicillium)으로 불리는 곰팡이로 오염되었다. 플레밍은 그 곰팡이 근처에 어떤 박테리아도 자라지 않는 것을 발견했다. 플레밍은 그 곰팡이가 다른 박테리아의 성장을 방해하는 어떤 물질을 방출하는 것으로 파악했다. 페니실리움의 추출물로 만들어진 첫 항생제 (antibiotic)가 페니실린으로 불리는 것이다. 페니실린은 박테리아로 인한 질병에 기적과도 같은 효과를 보였기 때문에 기적의 약으로 불리며 다양한 약으로 발전했다. 항생제는 수백 만의 생명을 구했고 동물 질병을 치료하거나 근절하는 데 이용 그림 2.9 페니실린의 발견은 박테리아로부터 유발되는 질병에 기적과도 같은 효과를 가져 약의 발달을 촉발했다.

6. 생식 동물 농업은 인공수정 (artificial insemination) 기술이 완성되면서 크게 향상되었다. 중세 아랍인들이 적의 소유인 종마로부터 정자를 모은 뒤 아군의 암말에 수정시켜 우세한 망아지를 얻었던 것이 최초의 사용 기록이다. 1930년대 미국에서 많이 사용되기 시작했다. 이 시기에는 정자를 바로 받아서 사용했기 때문에 정자는 2~3일 정도밖에 살지 못했고 따라서 이 기술을 사용하는데 제약이 있었다. 1950년대가 되자 정액에 보호 약품을 첨가해서 정자를 -320℉ (-160℃)까지 얼리는 것이 가능하게 되면서 인공수정 기술은 완벽해졌다. 이로써 나라 안팎 어디로든 정자를 저장해서 실어 나를 수 있게 되었다. 처음으로 정자에 해를 끼치지 않으면서 오랫동안 보관할 수 있게 된 것이다. 황소 정자를 30년 동안 저장하는 것에도 성공했다.

수정란 이식 (embryo transfer)은 1970년대에 널리 이용되었다 그림 2.10 인공수정과 수정란 이식 기술의 발달은 가축의 유전적 능력을 크게 향상시켰다.

1950년에 과학자들은 세포 하나에 있는 유전자 암호 (genetic code)를 이용해서 새로운 식물을 생산할 수 있었다. 이 실험은 씨앗이 아닌 세포를 페트리디시에서 새로운 식물로 키워낸 것이다. 이 기술로부터 조직 배양이라는 새로운 산업이 발달했고 식물의 번식에 이용되었다. 조직배양은 씨앗이나 식물 재료를 선적하는 과정에서 질병에 걸릴 수 있는 문제를 해결했다. 그림 2.11 조직배양으로 세포 하나에서 유용한 식물을 기를 수 있게 되었다.

>>> 유전자 이식 1950년대 과학자들은 세포의 핵이 유전자 이식 (genetic transfer)에 필요한 물질을 포함하고 있다는 것을 알았지만 그 기전을 이해하지는 못했다. 제임스 왓슨 (James Watson)과 프란시스 크릭 (Francis Crick)은 데옥시리보핵산 혹은 DNA로 더 잘 알려진 세포의핵내 구조르 발견했다. 그들은 DNA가 인산과 데옥시리보스의 상보적인 단위로 이루어진 이중나선 (double helix)의 형태를 형성하는 것을 발견했다. DNA 이중나선을 형성하는 뉴클리오티드의 개수와 종류가 유전자 암호를 결정짓게 된다. 뉴클리오티드는 서로 이어져서 DNA의 나선을 형성하는 분자이다. 두 과학자는 다음세대로 전달되는 핵심 유전정보가 이중나선 안에 포함되어 있다는 것을 찾아냈다. 그림 2.12 유전공학은 이중나선 모양의 DNA가 발견되면서 시작됐다.

>>> 유전공학 1980년대 과학자들은 한 생물에서 다른 생물로 유전정보를 이식하는 방법을 발견했다. 이로써 형질을 대상 생물에서 발현되도록 만드는 유전공학 (genetic engineering)이 시작되었다. 인간의 손을 이용하여 어떤 유전자를 제거해서 다른 생물로 이식하는 데 성공했다. 유전자 이식이라는 기술이 사용되어서 믿기지 않을 만큼 폭넓게 응용될 수 있는 가능성의 세계를 열었다.