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작성자 이창호
작성일 2004-12-24 (금) 16:45
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ㆍ조회: 992      
[현대] 유전공학 (한메)
유전공학 遺傳工學 genetic engineering

유전자, 즉 거대분자 화합물인 DNA의 기능을 바탕으로 유전자재조합(재조합 DNA실험)·유전자클로닝(DNA클로닝) 등의 유전자 조작기술을 응용하여 유전자산물의 효율적인 공업 생산과 육종에 의한 농수산물의 생산 증진 등을 연구하는 유전자(DNA)기능 응용공학.

유전자공학(geneengineering)이라고도 한다. 1970년대에 들어서면서 제한효소를 비롯하여 DNA리가아제 등 DNA에 작용하는 효소의 기능·특징이 밝혀짐에 따라, 이 효소들의 작용을 이용하는 재조합DNA 제작기술과 재조합DNA 증식을 목적으로 유전자DNA를 증식시키는 유전자클로닝 기술 등이 개척·발전되었다.

이에 따라, 이들 기술을 응용하여 호르몬, 유용 단백질 등 유전자산물의 생산량을 증가시키고 재조합DNA를 이용해서 육종 등의 효과를 높이는 것을 목적으로 하는 유전공학 분야가 날로 발전되고 있다. 이 분야의 기간적(基幹的) 기술은 재조합DNA의 제작과 유전자클로닝의 유전자조작 기술이다.

[재조합 DNA 제작]

특정의 유전자DNA(유전자)를 <벡터(vecter)>라는 DNA에 삽입·연결시켜 <재조합DNA>를 만드는 공정이다. 이 공정에는 DNA 염기배열의 일정 부위를 전달하는 <제한효소(制限酵素)>와 두 DNA의 절단 부위끼리 연결시키는 등 DNA에 작용하는 효소가 필요하다. 또 재조합DNA 제작 재료로는 생산 목적에 적합한 특정의 유전자DNA와 이것을 삽입·연결시키는 데 사용하는 DNA인 벡터가 필요하다.

특정의 유전자DNA를 제공하는 생물을 공여체생물(供與體生物) 또는 공여체라 하며, 특정의 유전자DNA는 보통 공여체의 염색체DNA(염색체를 이루고 있는 DNA군)에 염기배열의 특정 부위를 절단하는 제한효소를 작용시키거나 기계적 작용으로 절단·분리하여 얻어지며 이것을 특히 <공여체DNA>라 한다. 특정의 유전자DNA는 m RNA를 거푸집(鑄型)으로 하고 역전사효소(逆轉寫酵素)를 이용해서 상보적(相補的) 구조를 가진 DNA를 합성하는 방법 또는 단백질의 아미노산 배열로부터 유전정보(DNA의 뉴클레오티드 배열)를 추정하여 DNA를 인공적으로 화학합성하는 방법으로 마련되기도 한다.

실제로 항암제로 이용되는 인터페론, 호르몬의 일종인 인슐린 등 유전공학적 생산에는 인공합성된 유전자DNA가 이용되고 있다. 한편, 벡터는 특정 유전자DNA를 삽입·연결시켜 숙주세포 안에 전달하는 운반체로 이용되는 자기증식성 DNA분자이다. 이것에 특정의 유전자DNA를 연결시켜 재조합DNA(재조합된 새로운 벡터)를 만들고 숙주세포에 이식하면 재조합DNA의 자기증식에 의해 특정의 유전자DNA도 증식하게 된다.

벡터로는 숙주세포의 <플라스미드(plasmid)>나 염색체DNA, 바이러스 DNA, 세포기관의 DNA 등 자기증식성DNA분자가 이용된다. 플라스미드는 염색체DNA에 속하지 않는 고리모양 DNA로, 세균·효모 등의 숙주세포에 있다. 재조합DNA의 기본적인 제작법은 다음과 같다.

① 벡터의 특징부위를 제한효소를 이용해서 절단한다. 또, 같은 제한효소를 이용해서 공여체의 염색체DNA에서 특정 유전자DNA(목적으로 하는 유전자부분)를 절단·분리한다. ② DNA리가아제를 이용해 벡터의 절단부에 삽입·연결시켜 재조합DNA를 제작한다.

유전공학 분야에서는 다음과 같은 능률적인 방법으로, 목적하는 특정의 유전자DNA(공여체 DNA)를 공급하기도 한다. 즉, 공여체의 게놈(genome) 전체의 염색체DNA를 제한효소의 절단 작용이나 기계적 절단법에 의해 7.5視10燎∼2.1視10燿염기쌍 정도의 크기로 절단·분리하여 이것들을 각각 벡터에 연결시키면 공여체의 유전자 전체가 각각 연결된 재조합DNA군이 되는데, 이를 <유전자라이브러리(유전자뱅크)>라 한다.

이 유전자라이브러리로부터 필요한 유전자DNA가 연결되어 있는 제조합DNA를 <플랙 하이브리디제이션(plaque hybridization)> 등의 적당한 방법으로 가려내어 사용하는 유전자조작 실험을 <숏건실험(shotgunexperiment)>이라 하며 이 능률적인 재조합DNA 공급방식은 유전공학에서도 채택되고 있다[그림 2].

[유전자클로닝(DNA클로닝)의 응용]

앞서 설명한 여러 가지 방법으로, 목적한 특정의 재조합DNA(공여체DNA)를 제작하여 숙주세포에 도입하면 재조합DNA의 자기증식에 의하여 특정의 유전자DNA가 증식된다. 이와 같이 유전자재조합 기술로 특정한 단일 유전자DNA를 숙주세포 안에서 균일한 유전자DNA군(유전자군)으로 증식시키는 것을 또는 <유전자클로닝(유전자클론화)>이라 한다. 유전공학 분야에서는 이 유전자클로닝조작 기술을 응용하여 목적하는 특정의 유전자DNA를 재조합DNA의 꼴로 증식시키고 나아가서는 이 유전자DNA를 함유한 숙주세포군을 형성하여 이것을 목적으로 하는 유전자산물의 공업생산 등에 활용한다.

[그림 1]은 공여체의 염색체DNA로부터 절단·분리시킨 유전자DNA인 유전자 A를 숙주세포인 대장균의 세포 안에서 유전자클로닝하는 조작을 나타낸 모형도로서, 이 조작 과정을 간추리면 다음과 같다.

① 숙주세포인 테트라사이클린 감수성대장균에서 얻은 플라스미드의 특정 부위를 제한효소 Eco R Ⅰ로 절단한다. 또 공여체의 염색체DNA의 유전자 A부분도 Eco R Ⅰ로 절단·분리시킨다. ② 유전자 A를 DNA리가아제를 이용해서 플라스미드의 절단 부위에 연결시켜 A가 삽입된 재조합DNA를 제작한다. ③ 이 재조합DNA를 숙주세포인 대장균세포에 이식·도입시키면 재조합DNA의 자기증식에 의해 유전자 A도 증식된다. ④ 이상과 같은 유전자 A의 유전자클로닝의 결과 A를 갖게 된 대장균이 A의 지배하에 생산되는 화학물질의 합성이 가능하면 이 대장균을 대량 배양하여 A의 생산물질의 공업생산에 활용한다.

여기서 숙주세포로 이용되는 테트라사이클린 감수성대장균은 항생물질인 테트라사이클린에 저항성을 나타내게 하는 유전자를 갖고 있으며, A가 삽입된 재조합DNA가 세포 안에 들어오면 비로소 테트라사이클린에 대한 저항성을 나타낸다. 따라서 테트라사이클린을 함유한 배양기에서도 증식하는 대장균을 가려내어 이것을 A를 함유한 대장균으로 대량 배양하여 A에 의한 생산물질의 공업생산에 이용하면 된다.

[그림 2]는 생장호르몬유전자를 마우스(실험용 흰쥐)의 유전자라이브러리에서 가려내어 이용하는 숏건실험방식으로서 재조합DNA를 제작하여 유전자클로닝하는 과정을 나타낸 것이다. 유전공학에서는 단백질·폴리펩티드로부터 추정한 유전정보를 바탕으로 화학합성된 인공유전자를 유전자클로닝하여 이용하는 데 대한 연구가 많이 진척되고 있다.

실제로 사람의 호르몬인 생장호르몬·인슐린, 항암제로 이용되는 인터페론, 생장호르몬분비억제인자 가운데 한 종류인 소마토스타틴(somatostatin) 등 유전공학적 공업생산에는 인공유전자를 플라스미드에 연결시켜 대장균세포 안에서 유전자클로닝시킨 것이 활용되고 있다. 유전공학의 재조합DNA제작, 유전자클로닝 등 유전자조작 기술은 이러한 의약치료제 분야뿐만 아니라 앞으로 농수산 분야에서도 육종에 의한 식량증산·환경개선·식품공학, 미생물공학 분야에서의 응용 등 넓은 분야에 걸쳐 활용될 것으로 전망되는 첨단과학 기술이다.

한국에서는 유전공학이 1982년 무렵 뒤늦게 도입되었으나 낙후된 기술 수준을 향상시켜 유전자산물의 세계시장 진출을 도모하기 위해 관련학계의 협동 연구 단체인 <한국유전공화학술협의회>, 유전공학 분야의 산학협동·기술개발 단체인 <한국유전공학연구조합>이 창립되었다. 정부에서는 유전공학육성법(1983)·유전공학육성법시행령(1984)을 제정·공포하여 한국의 유전공학 토대를 닦아 놓았으며, 이것을 바탕으로 1985년에는 한국과학기술원 부설 <한국유전공학센터>가 설립되었다. 1993년 현재 한국에는 23개학과에 이르는 유전공학 관련 학과와 17개 대학교에 부설 유전공학연구소가 설치되어 유전공학관련 기술의 연구·개발이 활발하다.

[유전공학 실험의 안전성 문제]

공여체의 유전자DNA를 벡터에 연결시켜 재조합DNA를 제작해서 숙주세포에 도입하여 증식시키는 유전자조작 실험의 결과, 미지의 위험한 생명체가 생겨나거나 해로운 화학물질이 생성될 위험성이 있다. 이러한 유전공학 실험의 위험성에 대해 미국 분자유전학자 P.버그 등에 의해 처음으로 안전대책 문제가 제기되었으며, 1975년에는 유전공학 실험의 위험성과 이에 대한 안전대책을 토의하는 국제회의가 개최되었다. 그 뒤 미국을 비롯한 세계 각국에서 유전공학실험의 위험성에 대한 예방·안전 대책으로서 유전공학안전실험 지침이 마련되었다.

이들 지침에 따르면, 유전공학 실험의 위험을 방지하기 위해서는 오염원인 재조합DNA 또는 이것을 함유하게 된 숙주세포의 확산을 물리적·생물학적으로 봉쇄해야 한다. 유전공학 실험 오염원의 물리적 봉쇄란, 실험 시설·설비 안에 들어 있는 오염원이 외부로 확산되지 못하도록 폐쇄하는 것을 말한다. 이를 위해서는 위험정도를 감안하여 실험실의 시설·설비를 갖추어야 한다. 위험성이 그다지 크지 않은 경우에는 미생물학 실험실 정도의 시설·설비를 갖추고 오염물질은 꼭 소독 후에 폐기하도록 한다.

위험성이 매우 큰 경우에는 오염원 확산의 철저한 봉쇄를 위해 격리된 전용 건물의 밀봉된 실험실 안에서 완벽한 안전캐비닛을 사용하여 실험을 해야 한다. 한편 생물학적 봉쇄란, 유전학적 방법·생태학적 방법 등 여러 가지 생물학적 수단으로 오염원의 확산을 방지하는 것을 말한다. 예를 들면, 다른 세포에 들어갈 수 없거나 다른 세포 안에서는 자기증식이 불가능한 벡터를 이용한다든가, 실험 때에 주어진 특수한 배양조건 이외의 조건하에서는 생존할 수 없는 숙주세포를 이용하는 방법 등이 있는데 앞서 지적한 소독도 생물학적인 봉쇄에 속한다. 이상과 같은 안전대책이 자율적·예방적으로 완벽하게 실천되어야만 유전공학 실험에 의한 오염원확산을 방지할 수 있다. → 유전자재조합

<홍창숙>

출전 : [한메디지탈세계대백과 밀레니엄], 한메소프트, 1999
   
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