제1장 생명공학이란 무엇인가?

1. 서론 온갖 종류의 기계, 장치, 도구 및 전자공학 기기는 노동을 더 능률적으로, 여행을 더 빠르게, 여가 활동을 더 풍성하게 해 줌 (물리학 법칙의 결과물) 기술(technology); 자연의 법칙 중 물리학의 법칙을 사용하여 도구를 만드는 것 그림 1.1 기술(technology)은 놀랄 만큼 많은 기계를 개발하여 인간이 더 풍요로운 생활을 누리게 한다.

땅을 파거나 혹은 무기로 쓰기 위해 자연 상태 그대로의 돌과 방망이들을 도구로 이용한 것에서 기술은 시작되었을 것임 여러 원시적 도구를 능수능란하게 다룸에 따라 인류는 더 나은 도구를 만들 수 있는 방법을 궁리하기 시작함

언제부턴가 인간은 물질과 에너지가 특정한 양식에 따라 움직이는 이유를 연구: 불, 중력, 마찰, 전기, 열, 지레의 작용 및 관성을 지배하는 법칙들이 서서히 풀리기 시작 물리학 법칙에 관해 알지 못하는 부분이 많지만, 인간은 그 법칙을 이해했고 혹은 그 중 어던 것은 이해하지 못하더라도 이들 법칙을 놀랄 만큼 이용할 수 있음 그림 1.2 물리학 법칙에 대한 체계적 이해로 기계와 노동절감을 위한 도구의 진보가 이루어졌다.

물리학의 법칙을 숙고하고 연구하고 체계적으로 이해했던 것처럼 이제는 생물이 어떻게 기능하는지를 완전히 파악하려고 하고 있음 물리학의 법칙에 따라 구성된 기계보다는 살아있는 생물체들이 놀라울 정도로 정교하고 고차원적인 체계를 가지고 있다는 사실 진보된 컴퓨터와 응용 네트워크 < 포유류의 신체 작용과 옥수수의 전체 기관의 기능 그림 1.3 세상에서 가장 정교한 컴퓨터도 옥수수의 기능에 비교하면 단순하다.

고대시대부터 동물은 번식하여 새끼를 낳고, 씨앗은 파종되어 새로운 작물로 자란다는 사실을 알고 있음 새로 태어난 새끼는 그 부모를 닮기 때문에 더 나은 동물이 태어나기 위해서는 무리 중에서 가장 뛰어난 동물을 서로 교배시키면 되는 것도 알게 됨 우수한 씨앗을 모아서 파종: 그 씨앗을 통해서 부모식물의 뛰어난 형질이 전달된다는 것을 추측

1800년대 중반, 그레고리 멘델 (Gregor Mendel)에 의해서 과학자들이 쓸 수 있는 유전자의 전달에 관한 이론이 처음으로 전개 그 뒤로 수 년 동안 이 이론은 농업분야에 사용되어 식물과 동물을 개량하는데 이용 과학자들이 유전자의 전달과정을 이해하기 시작한 것은 20세기 후반

자동차의 발명은 압축, 점화, 회전우력, 기어 변화의 기본 원리를 이용해서 만들어짐 과학자들이 원리를 연구하고 체계화하면 이러한 원리가 기술에 적용되어 현대의 여러 발명품을 만들 수 있음 그림 1.4 자동차는 압축, 점화, 회전우력, 기어 변화의 기본 원리를 이해하기 시작하면서 개발된 것이다.

생물의 기능을 연구하는 것은 이와는 다름 영양대사 작용은 성장과 에너지의 재생산에서 나오는 모든 것들에 직접적으로 영향을 미친다. 어떻게 성장이 진행되는지를 이해하려면 과학자는 영양분의 소화와 대사작용이 어떻게 일어나는지를 이해해야 하고 이러한 작용이 성장에 어떤 영향을 미치는지를 알아야 함

2. 생명공학 정의하기 생명공학 (biotechnology) 간단한 정의: 생물이나 그 일부분을 변형함으로써 인간에게 이로운 생물을 만드는 것 (이 정의는 식물이나 동물 등 생물을 구성하는 모든 기관을 다룬다는 의미를 포함).

2. 생명공학 정의하기 다른 정의: 인간에게 좀 더 이로워지도록 세포에 대한 지식을 이용해서 생물의 활동을 변형시키는 것 (식물이나 동물의 세포는 물론이고 이 밖에도 바이러스 등과 같은 세포 생물을 다루는 것까지 포함) 또 다른 정의: 유전자재조합 생물 (genetically manipulating organism, GMO)로 생물의 행동과 성질 및 가치를 바꾸는 것 (잠재적 가능성이 높으며 쟁점이 되는 것) 그림 1.5 생명공학은 대부분의 살아 있는 기관을 세포 수준에서 다룬다.

많은 안전기준에 따라 주의 깊게 세포와 세포의 기능을 변형해야 함 생명공학이 발달하기 힘든 이유 중 하나는 성장하며 번식하는 살아있는 생명체를 이용한다는 데 있다. 또한 고등동물의 경우에는 동물복지와 함께 안전도 고려해야 함. 많은 안전기준에 따라 주의 깊게 세포와 세포의 기능을 변형해야 함 사회는 인공적인 방법에 의해 만들어진 생물을 쉽게 받아들이지 않는다. 사람들은 이해하지 못하는 것을 받아들이기를 꺼리며, 특히 식품 구매와 관련된 것은 더욱 그렇다 그림 1.6 많은 안전기준에 따라 세포와 세포의 기능을 주의 깊에 연구해야 하는데, 특히 식품과 관련된 연구일 경우에는 더욱 주의를 기울여야 한다.

생명공학 기술에서 큰 부분을 차지하는 것은 세포와 유전자 (gene) 공학을 이용하여 새로운 성질을 가진 동∙식물을 생산하는 것 전통적인 동∙식물 육종학은 엄청난 시간이 걸렸다. 매번 식물이나 동물의 다음 세대를 기다려 결과를 관찰해야 했기 때문. 만약 기대하는 결과를 얻지 못하게 되면, 또 다른 세대를 기다려야 했다. 유전적으로 설계된 생물의 경우 원하는 형질을 제어하는 특정 유전자를 염색체 (chromosome) 상의 정확한 자리에 위치시킬 수 있다. 이러한 방법으로 예상 결과를 바로 다음 세대에 얻을 수 있음

3. 생명공학의 필요성 오늘날 세계인구는 60억 명을 넘는다. 인도에만 10억이 넘는 사람이 산다. 2050년까지 세계 인구는 100억 명에 이를 것이다. 이 모든 사람들에게 식량을 공급해야 함 오늘날에도 개발도상국가에 사는 수억 명의 인구가 음식을 원활히 공급받지 못함 이러한 국가에 사는 사람들은 체중을 유지하고 활동하는 데 필요한 만큼의 열량도 충분히 섭취하지 못함

세계인구 증가는 대부분 개발도상국가에서 기안함 과거에는 개발도상국가의 인구 중 대부분이 시골에 살면서 필요한 최소량의 식량을 스스로 생산했음 앞으로의 주된 인구증가는 자급자족할 기회가 없는 개발도상국가의 주요 도시에서 일어날 것임 (이전과 비교할 수 없을 정도로 많은 양의 식량이 생산, 수입되어야 함) 그림 1.7 세계인구증가의 대부분은 개발도상국의 큰 도시에서 발생할 것이다.

지난 50년간, 식량을 생산하는 데 있어 효율은 엄청나게 향상되었다 지난 50년간, 식량을 생산하는 데 있어 효율은 엄청나게 향상되었다. 그러나 이 정도의 식량 생산율과 향상 속도를 가지고는 식량부족이라는 위험에 곧 직면할 것임 생산율의 향상은 1970년대에 녹색혁명 (green Revolution)에서 시작되었다. 이때 재래식 작물육종, 새로운 살충제, 관리기술이 발달하면서 매년 식량 생산량이 극적으로 증가함 그림 1.8 1970년대에 시작된 녹색혁명으로 쌀 등과 같은 주요 식량의 생산량이 크게 증가되었다.

1990년대 중반 이러한 작물 생산의 증가율이 매년 감소 많은 개발도상국가에서 꾸준히 생산되는 식량작물인 카사바 (cassava)의 생산율 증가 속도가 감소 (토질이 좋지 않은 땅에서 재배되어 생산토지는 늘었으나 생산량은 그에 따라 증가하지 않음) 이러한 상황에서 생명공학은 세계에 식량을 공급하는 데 있어 큰 잠재력을 발휘할 수 있음

그림 1.9 유전공학으로 수확량을 높이고 생산단가를 낮추되 영양가는 높은 작물을 생산할 수 있게 되었다. 생명공학 기술을 이용하면 동물과 식물이 더 효과적으로 생산되도록 설계할 수 있음 원하는 형질을 갖추도록 하기 위해 생물의 유전자구성 (genetic makeup)을 변화시킴으로써 더 나은 성장률, 더 많은 수확량을 더 짧은 세대 동안에 얻을 수 있음 유전공학 (genetic engineering)을 이용하면 전통적인 육종학을 이용해서 기른 것에 비해 더 풍부한 영양소를 함유한 식량자원으로 이용될 수 있는 동물과 식물을 생산할 수 있음 그림 1.9 유전공학으로 수확량을 높이고 생산단가를 낮추되 영양가는 높은 작물을 생산할 수 있게 되었다.

생명공학의 이점: 생산자가 추가적인 기계장비와 땅 등, 추가적 자본 지출없이 이 기술을 이용할 수 있다는 것 생명공학의 이점: 생산자가 추가적인 기계장비와 땅 등, 추가적 자본 지출없이 이 기술을 이용할 수 있다는 것. 생산자는 동물이나 식물의 유전적 개량 (genetic improvement)에 의존해서 생산량을 늘리고 소요되는 비용을 낮춘다 단점: 새로운 생물을 생산하는데 연구개발 비용이 많이 소요되는 것. 그러나 새로운 기술에 대해 초기 비용을 지불하고 나면 이후에는 일반적으로 그리 비싸지 않게 이용이 가능함

4. 생명공학의 이용 현황 대부분의 과학자들은 농업의 미래는 생명공학에 있다고 함 이미 유전자 변형 생물은 전 세계적으로 농업에 큰 영향을 미쳤다. 몇 가지 사례들 표 1.1

수년간 식물은 무성번식을 이용한 여러 기술을 응용해서 복제됨 식물 생명공학 생명공학은 작물 농업분야에 가장 영향을 줌 수년간 식물은 무성번식을 이용한 여러 기술을 응용해서 복제됨 최근에는 DNA를 삽입하거나 이동시키는 방식의 유전적으로 변형된 농작물이 폭넓게 사용되었다 형질전환 (transgenic) 작물로 알려진 어떤 농작물들은 해충 및 특정 종류의 살초제에 저항성을 갖도록 변형되었다 어떤 작물은 더 영향이 풍부한 식량으로 생산될 수 있도록 변형되었다 잠재적으로 구매자의 요구에 따라 생산량과 영양분을 증가시킨 식물을 생산할 수 있을 것임 그림 1.10 매년 수백만 에이커에 달하는 토지에서 유전자 재조합작물이 생산된다.

인류는 문명이 시작되던 때부터 동물 효소와 박테리아를 이용하여 우유로부터 치즈 및 다른 식품을 어떻게 만드는지 배워왔다 동물과학 인류는 문명이 시작되던 때부터 동물 효소와 박테리아를 이용하여 우유로부터 치즈 및 다른 식품을 어떻게 만드는지 배워왔다 인공수정기술이 발달하여 생산자가 단기간 내에 가축을 개량할 수 있게 되었음 수정란 이식으로 가축에서 모계의 유전적 개량이 가능해짐 동물을 번식시키는 실질적인 방법으로 복제 (cloning) 동물을 만드는 데까지 와 있음 동물 복제는 어떤 동물의 또 다른 유전적 복사물을 만드는 과정 그림 1.11 오래 전 인간은 이미 효소와 박테리아를 이용해서 치즈를 만드는 방법을 발견했다.

식물 산업과 더불어 동물을 인간의 필요에 적합하게, 구매자의 요구에 맞추는 것이 가능하게 될 것임 가축에 대한 유전자 염기서열 (genetic sequencing)이 완전히 밝혀지고, 명확하고 체계적으로 이해되다면 무한한 이용 가능성을 보게 될 것임 일정한 크기로 자라고 정확하고 이상적인 비율의 지방과 근육을 기르고, 음식물 내의 고기에 포함된 콜레스테롤의 양을 줄이도록 동물을 디자인할 수 있음 그림 1.12 생명공학으로 인해 과학자들의 주문에 맞게, 원하는 형질을 가지도록 동물을 설계하는 것이 가능해질 것이다.

의학 박테리아로 인슐린을 만드는 유전자를 주입하여 배양한 후에 인슐린을 추출하여 사용 유전자치료 (genetic therapy)는 이전에는 치료가 불가능한 것으로 여겨졌던 유전병이나 질병을 치료하는 데 사용 어떤 질병에 대해 면역성을 제공하는 백신을 생산하는 식물을 재배할 수 있음

이렇게 유전병이 발견되면 장애의 초기 단계에서 치료를 시작할 수 있음 유전적 지도 (genetic mapping)는 어떤 사람이 낭포성섬유종 (cystic fibrosis), 혈우병 (hemophilia), 겸상적혈구빈혈증 (sickle cell anemia) 등의 유전적 장애 여부를 확인하는 데 도움 유전적 지도는 유전자 염기서열 대신 사용할 수 있는 용어, 같은 의미로 유전자 암호 (genetic code): 염색체상에서 각 유전자의 정확한 위치를 확인하는 것을 의미 이렇게 유전병이 발견되면 장애의 초기 단계에서 치료를 시작할 수 있음 그림 1.13 유전적 지도는 개개인마다 유전된 장애를 확인하는 데 유용하다.

생물환경정화 (bioremediation) 생명공학은 환경을 감시하고 정화하는데 이용 한 지역이 공해에 오염되었는지 검사하도록 개발된 식물이 있음. 이 식물로 오염을 조기에 발견할 수 있어서 문제가 심각해지기 전에 정화를 위한 검사가 이뤄질 수 있게 되었다 생물환경정화 (bioremediation) 어떤 미생물은 오염된 토양에 있는 독소를 먹는다. 이러한 자연발생적인 생물체는 실제로 독소를 소화하고, 그 오염물질을 이산화탄소 같이 무해한 물질로 변환시킨다 어떤 식물은 토양이나 물에서 오염물질을 흡수하는데 사용될 수 있다 과학자들은 공기, 토양, 물에 있는 독소를 더 효과적으로 없애는 생물체를 개발하기 위해 노력 중 그림 1.14 생명공학의 가장 구체적인 분야 중 하나는 병든 환경을 치료하는 것이다.