영국 캠브리지 대학 의학연구원(Medical Research Council) 소속인 알렉산더 테일러 등은 모든 생명체들을 조립하고 있는 DNA, RNA 단백질의 역할을 대체할 수 있는 생화학반응을 인공적으로 가능하게 할 수 있다고 2014년에 <네이처>에 발표했다. 연구자들은 자연에 존재하지 않는 합성효소를 실험실에서 화학반응을 통해 처음으로 만들었다. 이 연구는 생명의 기원에 대한 새로운 관점을 제공했을 뿐만 아니라 바이오기술로 완전히 새로운 약물과 진단이 가능함을 알려줬다. 연구자들은 인공 효소로 생명을 탄생시키는 반응을 일으킬 수 있다는 증거를 보여줬다. 이들이 만든 합성분자를 XNA라고 불렀는데 이는 DNA와 비슷한 방식으로 유전정보를 저장하고 전달하는 인공유전시스템인 셈이다. XNA를 생명벽돌로 삼아 조립하면 자연에 존재하는 효소처럼 생화학반응을 일으킨다. 즉, 지구 생명체들을 조립하고 있는 DNA, RNA 단백질이 특별하지 않으며 이를 대체할 수 있는 생화학반응이 존재할 수 있음을 밝혔다.

 

외계생명체는 지구생명체와 부품이 다를 수 있다

지구상의 모든 생명은 음식을 소화하는 일부터 세포 내에서 DNA를 만드는 일까지 일련의 화학반응에 의존하고 있다. 이 반응들은 상온과 대기압에서 매우 느리게 진행되기 때문에 반응을 촉진시킬 효소가 반응공정을 시작하도록 촉매작용을 해준다. 세포 내에는 수천 종의 다른 효소들이 들어 있는데 그중 많은 것은 단백질이다. 그러나 생명에 필요한 핵심적인 기본반응 중 일부는 DNA의 사촌격인 RNA에 의해 수행된다. 세포 안에서 단백질을 제조하는 분자기계인 리보솜은 RNA 효소다. 자연에서 생명체가 탄생한 것은 자기복제하는 RNA 효소가 출현하면서 가능했다고 알려져 있다. 유전정보를 저장하는 건 DNA와 RNA뿐이며 단백질과 함께 효소를 형성할 수 있는 생체분자이다. 그런데 자연계에 존재하지 않는 합성 DNA를 만들었다는 의미는 외계 생명체들은 지구상에 존재하는 생명체들과는 다른 분자들로 만들어질 수 있다는 논리를 뒷받침해준다. RNA와 DNA는 생명의 탄생 과정에서 단지 우연히 선택된 화학적 산물이라는 의미가 된다.

이 캠브리지 대학교 MRC연구팀은 DNA를 대체할 수 있는 XNA라고 불리는 분자 6종을 개발하여 유전정보를 저장할 수 있고 자연선택을 통해 진화할 수 있음을 보여줬다. 이런 원리를 바탕으로 다른 연구에서 4종의 합성촉매를 만들어냈다. 이 인공효소, XNAzyme는 시험관 안에서 RNA 가닥을 절단하고 합치는 것처럼 간단한 생화학반응을 일으키도록 촉매작용을 했다. 이 인공효소는 천연효소보다 매우 안정적이기 때문에 암이나 바이러스성 감염성 질병 등 다양한 질병들을 자연적으로 치료할 수 있는 새로운 치료제를 개발하는 데 상당히 유용할 것으로 과학자들은 믿고 있다. 특히 인공효소들은 자연에서 발생하지 않았기 때문에 인체의 자연분해 효소에 의해 인식되지 않고 분해되지 않는 특징을 가진다. 이 점은 질병과 관련된 RNA가 작동하지 못하도록 오랫동안 지속적으로 약효를 유지할 수 있다는 의미가 된다.

 

세포를 설계하기 시작했다

진화적 관점에서 보면 효모는 진통제를 생산하는 일이 없다. 하지만 스탠포드대학교의 크리스티나 스몰크(Christina Smolke)는 미생물의 게놈을 재설계해서 마약성 진통제인 하이드로코돈(Hydrocodone)을 만들었다. 이 업적은 자연에서 발견된 물질을 복제하거나 천연유기물에서는 생산되지 않는 특정 소재를 세포를 재설계해서 만들어내는 합성생물학의 대표적 사례이다. 합성생물학에서는 모든 화학제품들을 재생 가능한 생물소재로 만들어낼 수 있는 미래를 상상하고 있다. 전 세계 연구팀들은 효모, 박테리아, 기타 세포를 조작해서 플라스틱, 바이오 연료, 의약품 심지어 직물까지도 살아있는 생물로 값싸게 만드는 꿈을 꾼다. 예를 들면 일본 쯔루오카(Tsuruoka)에 소재한 생체재료업체인 스파이버(Spiber)는 강하고 가벼운 겨울 의류를 만들기 위해 박테리아를 재프로그램해서 거미 실크를 만들었다.

합성생물학자들은 단순히 물질을 생산하는 데 그치지 않고 유전체 부품들을 회로에 연결하여 복잡한 시스템을 만들고 있다. 이미 살아있는 스위치와 정교한 센서를 만든 사례가 있다. 취리히에 있는 스위스연반공대(ETH)의 마틴 후세너거(Martin Fussenegger)는 혈중 질병 관련 대사 산물을 검출하고 치료 화합물 생산을 유발시킬 수 있는 생물 의학센서를 만들었다. 이 바이오센서가 통풍과 비만을 성공적으로 차단하고 피부병 건선을 치료한다는 사실을 생쥐 실험을 통해서 확인했다.

생물합성은 기존의 DNA 조각들을 선택하거나 새로운 DNA 조각을 만들어 미생물이나 세포 속에 집어넣어 DNA를 재프로그램 해준다. 미국 국립생명공학정보센터엔 10만종 생명체로부터 채취한 1억9000만개 이상의 DNA 서열이 보관되어 있다. DNA 서열분석 비용이 급격히 하락하면서 유용한 유전자를 찾아내기 위한 탐색활동이 활발해졌다.

생물학이 좋은 점은 똑같은 일을 할 수 있는 경로가 매우 많다는 점이다. 당연히 엔지니어는 가장 쉬운 설계법을 선택하려 한다. 다만, 산업공정으로 성공하려면 일관된 재현성이 있어야 한다. 조심스럽게 설계된 생체 회로라 해도 원치 않는 유전자가 발현되거나 오작동하는 경우가 많다. 불확실성이 높다는 의미는 합성시스템을 설계하는 과정에서 거쳐야 할 정교한 시험법이나 최적화가 필요하다는 말이다. 재현성을 높이기 위한 방법으로 미국표준과학연구소는 2015년부터 합성생물학 표준협회를 발족하여 합성생물학부품의 설계, 문서화, 조립방법의 표준을 정립하고 있다. 영국에서도 의학정보표준에 합성생물학을 포함시키고자 한다. 동시에 유전부품과 회로를 기술하는 용어들도 표준화하는 작업을 진행 중이다.

한편 최근에는 여러 곳에서 인공 DNA를 제작하는 과정부터 미생물에 삽입하는 과정까지 속도를 높이기 위한 전자동바이오조립라인 즉, ‘바이오파운드리’가 여러 군데에 설치되어 운영되고 있다. 예를 들면 스위스 제약사 노바티스와 MIT가 합작한 MIT-Broad 파운드리는 인체의 장내에서 생성되는 박테리아부터 모든 분야의 분자들을 대량생산하고 있다. 이밖에도 영국 임피리얼대학의 SynbiCITE, 싱가포르의 Synthetic Biology Foundary, Ginkgo Bioworks 등도 있다. 바이오파운드리는 완전 자동 설비를 이용해서 어떤 바이오부품이 최적인지 대량으로 신속히 확인할 수 있는 장점이 있다.

 

바이오파운드리는 합성생물학의 발판

합성생물학에서 새로운 물질을 발견하기 위한 이론적인 배경이 뚜렷하지 않기 때문에 설계-구축-시험의 과정을 무수히 반복해봐야만 원하는 목표에 근접할 수 있는 시행착오적인 과정이 필요하다. 따라서 연구자가 CAD와 같은 소프트웨어로 생물유전자를 설계하면 자동화 시스템이 DNA 회로에 의해 생물분자를 구축하고 최종 특성을 평가하는 시험까지 자동으로 처리해내는 바이오파운드리가 필수적이다. 바이오파운드리는 생물학을 마치 정보과학처럼 디지털 공정으로 전환시켜주는 효과를 가지며 연구자는 상상을 하고 나머지는 자동화설비가 상상을 구현시켜주는 시스템이다. 요리에 비유하면 한번 조리법이 만들어지면 한 번에 한 가지씩 요리를 만드는 것이 아니라, 첨가물의 종류와 양을 미세하게 달리하고 요리 온도와 시간을 달리하여 동시에 수천종의 요리를 동시에 처리해서 가장 좋은 결과와 가장 나쁜 결과를 한꺼번에 한 세트로 평가해볼 수 있게 하고, 가장 완벽한 조리법을 찾아내는 방식을 채용하고 있다. 이제껏 너무도 복잡해서 감히 접근할 엄두도 내지 못하던 DNA 조작을 이젠 공학 측면에서 손쉽게 접근할 수 있는 단계에 이르렀다고 할 수 있다. 바이오 파운드리 시설에선 대학은 물론이고 심지어 기업에서도 불가능했던 프로젝트를 처리할 수 있다. 아마도 인체에 살고 있는 모든 유기물 즉 미생물 분자들을 만들어볼 수 있으며, 지금까지 지구상에 존재하지 않았던 새로운 바이오 물질이나 화합물을 손쉽게 만들어볼 수 있는 가능성을 열어줬다.

듀폰(Dupont)이 개발한 합성고무 생산용 인공효소인 ‘바이오이소플렌’, 석유화학소재인 ‘아크릴’을 대체할 카길(Cargill)의 ‘바이오아크릴’, 석유화학제품의 계면활성제를 대체하는 모듈라 제네틱스(Modular Genetics)의 ‘바이오 계면활성제’, 디젤유를 대체하는 LCS9의 ‘바이오연료’, 발효기술을 활용하여 엔지니어링 플라스틱, 섬유, 레진, 폴리우레탄 등을 만드는 Verdezyne의 아디프산(Adipic acid), 플라스틱 소재인 PVC, PET, PP를 대체할 수 있는 메타보릭스(Metabolix)의 PHA 바이오 플라스틱, DSM이 개발한 바이오항생제 세파렉신(Cephalexin), 머크(Merk)가 개발한 당뇨약 시타글립틴(Sitagliptin) 등은 합성생물학을 활용한 개발사례들이다.

과학자들은 약, 식품, 소재를 제조하기 위해서 세포를 설계하기 시작했다. 생물합성은 ‘자연계에 존재하지 않는 새로운 생물체의 설계 및 구축’하는 기술이다. DNA와 단백질을 다루므로 신약개발의 획기적인 수단으로 장래가 밝다. 그러나 가장 획기적인 응용분야는 거의 모든 석유화학소재를 대체하는 바이오소재의 개발이다. 새로운 효소개발을 통해 친환경적이고 재사용이 가능한 바이오소재를 다양하게 개발해내는 바이오소재 혁명이 시작되었다고 본다.