1. 동물복제 배경
최근 몇십 년간 인류는 개구리에서부터 시작하여 양, 말, 소, 돼지, 개 등 수많은 동물을 복제하는 데 성공하였다. 복제기술이 개발되기 전까지는 암수의 생식세포 간의 결합(수정)에 의해서만 정상적인 개체 발생이 가능한 것으로 알려졌으나 세포융합 또는 세포 직접주입과 같은 체세포 핵이식 기술이 발전하면서 생명체의 복제가 본격적으로 가능하게 되었다.
우리나라에서도 1999년 2월 복제된 젖소 ‘영롱이’를 시작으로 돼지, 개, 늑대 등의 복제 동물을 생산해낼 정도로 그 기술이 발전되어 있다. 현재 생명과학자들은 동물을 단순히 복제해낼 뿐만 아니라, 더 좋은 형질을 가진 동물을 생산하기 위해서 재조합된 유전자를 가진 핵을 이식하기도 한다.
전 세계적으로 보유한 형질전환 동물은 약 7,000여 종이 있으며, 최근에는 사람에게 장기를 공여할 수 있는 돼지, 유용 단백질을 생산하는 닭, 사람의 질환을 발현하는 개 등을 비롯하여 영장류의 복제까지도 성공하게 되었다. 물론 복제 동물을 생산해내는 것에 대한 찬반 논쟁은 아직도 사회적 이슈가 되고 있다.
동물 복제는 여러 멸종 위기의 생물을 보전할 수 있고, 질병 치료에 유용하게 사용될 수 있다는 장점도 있지만, 생명의 존엄성과 관련된 윤리적인 문제 또한 개입되기 때문이다.
하지만 동물 복제에 대한 기술을 정확히 알고 그것이 엄격한 규정하에 이루어진다면 그것이 가져다주는 학문적, 기술적, 경제 산업적 파급 효과는 매우 클 것이라 기대된다.
2. 동물 복제 최근 연구동향
1997년 영국 에든버러의 로즐린연구소(Loslin institute)의 이언 윌머트(Dr. Ian Wilmut) 박사 등은 임신한 면양의 유선 세포의 핵을 미수정란의 핵과 치환하여 복제 면양을 생산하였는데, 이는 체세포의 핵을 이용하여 복제 동물을 생산할 수 있다는 가능성을 제시하였다(그림 1).
모든 세포의 핵은 일련의 완전한 유전자 정보를 포함한다. 하지만 배아 세포가 유전자를 활성화시킬 준비가 되어 있는 동안, 분화된 성체 세포들은 그들의 특정한 기능을 위해 필요하지 않은 유전자들을 차단하고 있다. 따라서 성체 세포의 핵이 복제를 위한 세포 제공에 사용될 때, 성체 세포의 유전자 정보는 배아 상태로 재설정되어야 한다. 종종 재설정 과정이 불완전하게 되면 배아로 발달하지 못한다. 윌머트 박사는 277번의 복제 배아 생산을 시도하여 한 마리의 대리모에서 돌리(Dolly)가 태어날 수 있었는데, 이때부터 포유동물의 체세포 복제가 주목받게 되었다.
그 후 소나 돼지의 체세포를 이용하여 다수의 복제 송아지와 돼지들이 생산되고 있는 실정이다. 최근 뉴질랜드에서는 한꺼번에 10마리의 복제 송아지를 생산하였으며, 국내에서도 다수의 복제 송아지와 복제돼지가 생산되어 체세포 복제기술의 산업화 가능성이 입증되었다. 특히 복제 동물을 생산하는 과정에서 외래유전자를 쉽게 주입할 수 있어서 형질전환 동물을 보다 효율적으로 생산할 수 있게 되었다(그림 2).
우리나라에서 복제 동물에 대한 논문은 많이 있지만, 그중 대표적으로 2005년 8월 4일 Nature 436호지에 실린 ‘Dogs cloned from adult somatic cells’에 대해 소개를 하자면. 성체의 체세포를 이용하여 개를 복제하였다는 내용이다.
논문의 내용을 살펴보자면 양, 쥐, 소, 염소, 돼지, 토끼, 고양이, 당나귀, 말 등을 포함한 여러 포유류는 핵이 제거된 난자에 체세포의 핵을 옮김으로써 복제되어져 왔다. 최근까지 과학자들은 이 기술을 적용하여 개를 복제하는 데에는 성공하지 못하였는데 그 이유는 실험에 사용될 난자의 배양이 실험실에서 성숙시키는 데 어려움이 있었기 때문이다. 따라서 실험실에서 배양하는 방법이 아닌 생체 내에서 얻은 난자에 성체의 피부 세포를 핵이 제거된 난자에 옮겨 두 마리의 아프간하운드를 복제하는 방법을 사용하게 되었다.
발표된 세계적 논문에 따라 개의 게놈 프로젝트를 통해 얻는 세부적인 정보들은 유전적 또는 환경적 영향이 개의 품종에 따른 다양한 생물학적, 행동학적 특성들에 어떠한 영향을 미치는지 파악하는 데 도움이 될 것이다. 연구팀은 처음 복제한 개를 “Snuppy”라고 명명하였다(그림 3).
또한, 연구팀은 세계최초의 복제견인 Snuppy가 탄생한 이후 우리나라에서는 2005년 10월 한국늑대를 복제하는 데 성공하였고, 체세포 제공 늑대, 대리모, 복제 늑대 2마리의 DNA 친자 감별을 실시하여 복제 늑대임을 확인하였다. 개 복제에서 얻은 기술을 이용하여, 일반 개의 난자에 회색늑대의 체세포의 핵을 이식함으로써 개과 멸종위기 동물인 회색늑대의 복제 복원을 시도하였다. 이 연구를 통하여 복제기술을 발전시키고 복제 효율을 증가시킴으로써 멸종위기 동물의 종 보존에 복제 기법을 이용할 수 있는 기틀을 마련하게 되었다.
위와 같이 동물 복제의 기술이 점점 발전되어 가고 있는 추세이며 늑대가 복제된 후에 고양이와 장기이식용 미니 돼지 등 다양한 동물들의 복제가 성공적으로 이루어졌다. 이제는 단순히 같은 동물을 복제해내는 것이 아니라 더 뛰어난 형질을 가진 동물들을 대량 생산해내는 방향으로 연구가 진행되고 있다.
더 뛰어난 형질을 가진 개체를 만들려면 개체의 유전자를 조작해야 하는데, 1950년대부터 진행된 유전자에 대한 연구가 현재 유전자 재조합 기술이라는 기술 혁명을 이루어 냈기 때문에 현실적으로 가능해진 것이다. 이렇게 유전자 재조합을 통해 생산된 동물을 ‘형질전환 동물’이라고 한다.
현재까지 개발된 형질전환 동물은 약 50종류가 있으며, 그중에서 약 10종류는 우리나라에서 이뤄낸 성과이다.
이러한 유전자 조작을 통한 형질 전환된 동물을 복제기술을 이용하여 대량으로 생산해내는 것은 인간의 질병을 치료하고 인간에게 유용한 단백질을 생산해내는 것에 활용된다. 또한. 의약품 생산 및 환경오염 물질을 제거하는 미생물 개발 등에도 다양하게 이용될 수 있다. 형질전환 동물을 생산해내는 기본적인 방법은 일반적인 동물 복제 과정과 유사하다. 성숙한 동물 난자의 핵을 제거한 후 여기에 유전자 조작이 이뤄진 체세포를 이식하고 대리모 역할의 동물 자궁에 주입함으로써 임신과 출산 과정을 거쳐 형질전환 동물이 탄생하게 된다.
유전자 재조합은 특정 생물로부터 게놈을 분리한 후 DNA 절단 효소를 이용하여 필요한 유전자를 얻고, 이것을 DNA ligase를 이용하여 다른 유전자와 재조합해 ‘키메라 유전자’를 만든 다음 다시 발현 세포에 도입하여 외래 유전자의 형질을 발현시킨다.
대표적인 형질전환 동물이 부족한 사람의 장기를 돼지로부터 얻어 사람에게 이식할 수 있는 ‘바이오장기이식용 형질전환 돼지’이다. 바이오장기는 인간에게 이식을 목적으로 인위적으로 생산된 동물의 살아있는 세포조직 및 기관을 말한다. 그리고 이종 간 장기이식(Xenotransplantation)은 종이 다른 생물체 간의 유전자, 세포, 조직, 기관 및 신체 일부를 이식하는 것을 폭넓게 말하지만, 최근 유전자의 이종간 이식을 트랜스제닉(Transgenic, 형질전환)으로 표현하면서 좁은 의미로 세포, 조직 및 기관의 이종간 이식(동물에서 인간으로)을 표현하는 데 사용되고 있다.
최근 각국의 바이오장기 생산과 관련한 규정에서 동물의 장기를 인간에게 이식하는 것을 이종 간 장기이식이라고 정의하고 있으며, 여기에 인간의 신체 일부나 체액이 동물의 일부(예: 세포배양)에 접촉된 경우도 포함하고 있다. 이종 장기이식은 장기이식을 기다리는 환자가 적합한 장기를 이식받을 때까지 생명을 연장해주는 가교이다. 또한, 이종장기 원천기술의 확보는 전 세계시장을 선점할 수 있다는 점에서 경제적 가치와 국가 위상에 큰 역할을 한다. 이종장기와 관련된 연구는 가장 기본이 되는 장기공여체에 대한 연구가 중요한데 현재까지 미국에서 주도하고 있으며, 일본은 파격적인 바이오산업 규제 완화를 통해 높은 기초연구 수준을 빠르게 실용화하려는 움직임을 보이고 있다.
이종장기를 실제 적용하는 분야는 사용되는 장기의 종류에 따라 기술의 발전에 다소 차이가 있으며, 심장과 신장이 빠르게 발전하는 중이다. 전체 장기가 아닌 세포나 조직을 이용하는 경우는 장기자체를 생산하는 것보다 진전이 빠른 편이다. 이종 장기이식의 시작은 꽤 오랜 17세기로 거슬러 올라가며 20세기 들어 본격적으로 시작되었다. 영장류가 우선 후보였으나, 질병 문제와 비싼 가격으로 후보에서 제외되고 낮은 위험성과 높은 생산성을 가진 돼지가 선택되어 이용되고 있다. 돼지의 생체조직은 면역거부반응 유전자 조작으로 완전히 없애지 않아도 일부 실용화가 가능하다.
각막, 피부, 인대 등 조직과 췌도 등의 내분비기관 일부가 상대적으로 면역거부반응이 매우 낮다는 점에 착안한 것이다. 국내 서울대 바이오이종장기개발사업단이 이 분야에서 두각을 나타내고 있다. 연구진은 이식수술에 쓸 수 있는 각막 조직을 미니 돼지에서 얻어내고, 이 각막을 영장류에 이식시켜 6마리 모두에서 6개월 이상 시력을 유지하는 데 성공했다.
최근엔 이종장기, 세포배양, 전자기기 등 다양한 인공장기 기술의 장점만을 취하는 ‘융복합 형태의 연구도 등장하고 있다. 일례로 오가노이드 기술을 복제동물을 만들 때 사용하는 체세포 복제기술과 접목하면 처음부터 인체 거부 반응을 완전히 없앤 형질전환 돼지를 만드는 것도 가능하다. 즉 오가노이드 기술과 체세포 복제기술, 그리고 이종장기 기술 3가지를 융합한 셈이다.
하지만 이종장기 분야는 전 세계 선진국들이 앞다퉈 선점하려고 드는 분야로, 국내 산업역량을 총집결해야 할 필요가 있다. 정부 역시 관련 산업을 육성하기 위해 기술의 불안정성을 해결하기 위한 법 제도를 확충하고, 모니터링 체계를 구축하는 등 인공장기 기술을 국가혁신 전략의 일환으로 육성할 계획이다.
3. 동물 복제의 인류 역사에서의 의의
인류는 1952년 개구리를 복제하며 동물 복제의 역사를 열었다. 당시 미국 워싱턴 카네기연구소 연구팀은 개구리 수정란 세포를 떼어내어 난자에 이식하는 생식세포 복제를 통해 올챙이를 복제하는 데 성공했다. 이후 10년 뒤인 1962년 영국 옥스퍼드대 연구팀이 개구리의 체세포 떼어내어 무핵 난자에 이식함으로써 체세포 복제가 보편화되었다.
포유류 복제는 1996년 영국 로슬린 연구소의 이언 윌머트 박사가 6살 된 암양의 젖샘세포에서 핵을 추출해 난자의 핵과 치환한 뒤 자궁에 착상시키는 체세포 복제 방법으로 생산해 낸 복제양 돌리가 최초이다. 이후 잇따라 쥐와 소, 황소, 토끼, 고양이, 돼지 등이 복제되었으며, 우리나라에서는 젖소 ‘영롱이’와 개 ‘Snuppy’를 만들어냈고 현재 이종장기 이식용 미니 돼지까지 복제에 성공하였다. 이렇듯 생명체의 복제는 20세기 과학사 가운데 가장 큰 사건이라고 할 수 있으며 매우 중요한 의의를 가지며, 그들을 짚어보면 다음과 같다.
첫째, 특정 영양물질을 대량으로 생산할 수 있게 된다는 것이다. 예를 들어, 우유의 구성 성분을 인간에게 적합하도록 변화시킬 수 있다면, 즉 모유와 비슷한 성분을 가지도록 전환할 수 있다면 그 가치가 훨씬 향상될 것이다. 체세포 핵이식 기술을 이용한다면 특정 소비자군에게 적합한 형태로 영양성분이 전환된 우유를 생산할 수 있다.
즉, 우유의 특정 단백질에 면역반응을 보이거나 락토오스 같은 성분을 분해하지 못하는 사람에게 공급할 수 있는 우유를 생산할 수 있게 된다. 또한, 유전자 조작을 통해 생산해내는 우유의 양을 조절함으로써 많은 양의 우유를 생산할 수 있는 젖소를 대량으로 얻을 수 있게 된다.
둘째, 치료용 생체물질의 생산이 가능해진다. 알부민, 인터페론 등의 치료용 단백질과 생체 활성물질들은 인간의 질병 치료에 유익한 수단으로 이용되고 있으나 그 공급이 부족한 상태이다. 일부는 인간의 혈액으로부터 정제할 수 있지만 큰 비용이 들고, 그 원료가 되는 혈액이 AIDS, 광우병 등의 감염성 질병에 오염되었을 가능성도 있다.
형질전환 동물에서는 이런 치료용 생체 활성물질을 저렴한 가격에 대량으로 생산할 수 있다. 다만 이런 치료용 단백질 등은 외래유전자를 도입한 형질전환 개체에서는 원래 개체의 것과 분리해내기가 쉽지 않으며, 이를 분비한다 해도 많은 양을 정제하기가 곤란할 수도 있다.
셋째, 장기이식용 동물을 대량으로 생산해낼 수 있다. 인간의 불치병 또는 난치병에 효과적으로 이용되고 있는 치료 수단인 장기이식은 생명을 살리는 데 중요한 수단이지만 장기공급원이 절대적으로 부족한 상태이다. 이를 해결하기 위해 인공장기를 개발하거나 형질전환 동물을 생산해내는 방법을 이용한다면 많은 장기를 손쉽게 얻을 수 있게 된다.
일반적으로 이종 동물의 장기를 이식하면 이종항원에 의한 거부 반응이 일어나게 되지만, 이종항원을 유전자 조작을 통해 사전에 파괴하거나 면역세포와 반응하는 장기 세포의 반응도를 떨어뜨리는 등의 조작을 통해 거부 반응을 최소화할 수 있기 때문이다.
넷째, 질병모델 동물을 생산이 가능해진다는 것이다. 연구자들은 인간을 대상으로 한 질병 연구의 한계 때문에 각종 동물 모델을 만들어 연구하려고 한다. 이때 유전자 조작 기법을 적용하면 특정 질병을 가진 질병 모델 동물을 얻을 수 있는데 이를 체세포 복제 기법으로 대량 생산한다면 해당 질병의 연구와 치료제의 개발에 많은 기여를 하게 될 것이다.
다섯째, 세포, 유전자 치료가 현재 백혈병, 파킨슨병, 당뇨병 등에 걸린 환자에게 장애가 생긴 세포를 대신하는 정상 세포를 외부에서 배양, 주입하여 치료하려는 시도가 행해지고 있다. 그러나 면역학적 거부 반응의 문제 때문에 주입하는 정상 세포는 배아줄기세포로부터 얻은 것을 사용한다. 이 단계의 세포는 아직 면역반응을 일으킬 만큼 성숙하지 않았기 때문이다. 그러나 인간 세포가 난자 없이도 리프로그래밍 과정을 이해하게 되면, 환자 자신의 세포를 역분화시켜 사용할 수 있으므로 면역학적 거부 반응의 문제나 배아 세포를 사용하는 것에 대한 윤리적인 문제를 줄일 수 있다.
여섯째, 엘리트 동물의 번식과 개량이 가능해진다는 것이다. 우량 동물이란 선천적으로 뛰어난 형질을 가진 동물을 이르는 말로, 마약 또는 폭발물 탐지견이나 맹인안내견, 군견 등 뛰어난 지적 능력을 가진 동물 등이 이에 포함된다.
이러한 지적 능력 외에도 다른 뛰어난 형질을 가지고 있는 동물들도 존재한다. 예를 들어, 우리나라 젖소는 보통 하루에 20kg의 젖을 생산하지만 특정 젖소들은 하루에 70kg의 우유를 생산하면서도 질병에 강하다. 이들은 가격이 비싸서 널리 보급되기 어려울뿐더러, 이들이 교배하여 낳은 자손들이 똑같이 우수한 형질을 가지고 있다고 보장할 수 없다. 체세포 복제 방법을 이용하면 똑같은 형질을 가진 새끼를 얻을 수 있기 때문에 우량 동물의 대량 번식이 가능해진다.
또한, 우량 동물뿐만 아니라 멸종 위기에 처해 있는 동물도 보전할 수 있게 된다. 시베리아 호랑이나 중국의 팬더 등은 현재 멸종 위기에 처해 있고 앞으로도 많은 동물 종들이 멸종될 것으로 예상된다. 특정 동물들은 동물원에서도 교배를 시키기가 무척 까다롭기 때문에 후손을 얻는 데 큰 어려움을 겪고 있다. 그러나 인공수정 방법 또는 체세포복제기술을 사용한다면 멸종 위기에 처한 동물들을 대량으로 번식시키고 보전할 수가 있다.
위와 같이 동물 복제는 인류의 생물학적, 의학적 연구가 발전하는 데 큰 공헌을 하였다. 하지만 모든 과학 기술이 그렇듯 동물 복제기술 역시 양면성을 지니고 있다. 가장 논쟁이 되고 있는 윤리성의 문제와 더불어, 생명의 존엄성과 정체성의 혼란이 야기되고 생태계 질서가 흐트러지며 상업적으로 이용할 가능성이 크다는 점에서 사회적으로도 문제가 되고 있다.
먼저 동물권, 즉 윤리성에 관련된 문제가 발생한다. 일부 학자들은 동물에게도 인간과 마찬가지의 고유한 권리가 있다고 주장한다. 이런 주장은 모든 생명은 그 나름대로 고유한 가치가 있으며 존중받아야 한다는 것을 전제로 하고 있다. 따라서 동물이 하나의 실험 도구로서 쓰여서는 안 되며, 동시에 인간처럼 지구상에 존재하는 하나의 개체로서 받아들여져야 한다. 즉, 인간이 마음대로 그들의 유전자를 변형시키고 복제하며 실험할 권리는 없다는 것이다.
또한, 체세포 복제 시 유해 돌연변이의 위험성이 존재한다. 체세포 핵을 이식하기 위해서는 그 준비단계로 세포를 저농도 영양 배지에서 배양하여 유전자의 기능을 인위적으로 정지시켜야 하는데 이 과정에서 돌연변이가 일어날 확률이 높아진다. 또 전기 자극을 통한 핵이식 과정이나 그 후의 활성화 과정에 있어서도 핵과 세포질의 세포주기가 서로 적합하지 않을 수 있기 때문에 염색체 이상이 발생할 가능성도 있다. 대부분 생존이 불가능한 기형종이 발생하겠지만 인간에게 유해한 돌연변이가 나타날 가능성도 배제할 수는 없다.
4. 결론
일부 미래학자들은 세계가 2020년을 전후로 하여 생명공학 기술을 바탕으로 한 바이오경제 시대가 도래할 것으로 전망하고 있다. 동물 복제기술 및 이를 응용한 형질전환 동물 분야는 적용 범위가 매우 광범위하고 고부가 가치의 창출이 예상되기 때문이다.
이미 상당수의 형질전환 동물들은 산업적으로 응용되고 있으며, 이 생산기술을 이용한 새로운 산업군이 형성되고 있는 실정이다. 비록 동물 복제가 윤리성의 문제 등에 직면하고 있지만, 이종장기의 대량 생산이나 형질전환 동물에 대한 연구들이 단순히 경제적 가치에 머물러 있지 않고 인류의 건강과 복리의 증진에 상당한 공헌을 할 것으로 예상된다. 따라서 생산기술의 국내 산업화를 위한 집중적이고 장기적인 투자가 필요하고, 해당 기술을 학문적으로 응용할 수 있는 종합적인 공동연구가 필수적이라고 생각한다.
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*이 글은 2018년 출간된 대한수의학회 60년사 제3장 ‘수의학 미래 60년을 전망하다’에 담긴 내용입니다. 이흥식 대한수의학회 60년사 편집위원장님의 도움으로, 60년사 제3장에 담긴 글 10개를 데일리벳에 게재합니다.
* 최근 서울대 수의대에서 발생한 논란과 상관없이, 정해진 일정에 따라 게재된 글이라는 점을 알려드립니다. 이번 글을 끝으로 연재는 종료됩니다.
수의학회 창립 60주년은 미래 수의학 60년을 준비하는 시작점이라는 견지에서 현재 그리고 미래에 주목이 되는 주제를 중진 학자의 추천을 받아 선정하고, 이 주제와 수의학과 수의사는 어떻게 관련되며, 이들의 국내·외 현황과 전망은 어떠하며 그리고 이 분야에서 수의학과 수의사가 할 수 있는 역할은 과연 무엇이고 앞으로 어떻게 대처하는 것이 최선인지를 알아보는 글을 펴내기로 하였습니다. 그리고 이에 관한 집필자는 원로 학자나 신진 학자보다 당해 분야의 중견 학자와 벤처 기업 CEO가 현실을 직시하며 당해 분야에서 중추적인 역할을 충실히 하고 있다는 점에서 적합한 저자를 추천받아 원고를 청탁하고 이들의 글을 게재하기로 수의학회 60년사 편집위원회에서 결정하였습니다.
1. 유전자 조절 연구와 수의사의 역할 _ 서울대 교수 한호재
2. 수의학 분야에서의 분자진단의 현황과 전망 _ ㈜메디안디노스틱 대표 오진식
3. 수의임상에 미치는 4차 산업혁명의 전망 _ 전북대 교수 김남수
4. 국내 동물복지 현황, 전망 및 수의사의 역할 _ 건국대 교수 한진수
5. 국가방역체계의 현황과 전망 및 수의학의 역할 _ 농림축산검역본부 부장 정석찬(현 가축위생방역지원본부장)
6. 급성장하는 반려동물 시장과 수의사 _ ㈜마미닥터 수석연구원 이미진
7. 동물용의약품 시장 전망 및 신약개발 현황 _ 바이엘 코리아㈜ 동물의약사업부 대표 정현진
8. 기후변화에 따른 질병 발생 전망과 수의학의 역할 _ 서울대 교수 채준석
9. 줄기세포치료의 현황과 전망 및 수의학에서의 대응방안 _ 서울대 교수 강경선
10. 동물 복제의 역사와 인류역사에서의 의의 _ 충남대 교수 김민규
