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작성자 이창호
작성일 2004-12-24 (금) 18:53
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[현대] 생명공학=바이오테크놀로지 (한메)
바이오테크놀로지 biotechnology

생물의 기능을 응용한 공업기술.

생물공학 또는 생명공학이라고도 한다. 발효기술 외에 유전자 재조합으로 만들어진 미생물이나 세포융합을 이용하는 기술 등이 포함된다. 그 기간기술(基幹技術)은 그 목적에 따라 크게 다음과 같이 구분된다.

⑴ 생물소재의 특성 개량

핵내·핵외 DNA재조합 등의 유전자공학, 세포융합, 핵·미토콘드리아 이식 등의 세포공학 및 고등동식물의 개체발생 초기에 배우자·접합자 등을 조작하는 발생공학(게놈조작·염색체공학·생식공학 등)이 포함되며, 농작물·과수·원예작물·가축동물·수산생물 등의 육종기술로서 성과가 있다.

⑵ 특정 물품의 생성

미생물 본래의 특성이나 효소·생리활성물질의 특성 이용 및 미생물을 숙주(호스트)로 하는 유전자공학에 의한 의약품·식품·기호품 등의 생성기술이 있다.

⑶ 특정 작용, 기능의 효율화·고도화

미생물·효소의 촉매작용을 이용하는 바이오리액터(생물 반응계) 외에 바이오센서(생물반응이용 감지계) 개발에 따른 시스템제어 등의 기술이 포함된다. 앞으로 기술의 진보와 응용분야의 확대에 따라 다른 여러 기술의 복합화에 의한 기술체제의 고도화와 기술 적용의 장(場)이 폐쇄계에서 개방계로 넓어짐에 따른 생태계·환경으로의 영향에 대한 신중하고 적절한 배려·대응이 필요할 것이다.

[수산생물(수산기술)의 경우]

수산기술에서의 현황을 앞에 기술한 3가지의 목적별로 분류하면 다음과 같다.

① 어패류의 육종기술로서 발생공학이 급속히 진보했다. 즉 정자(또는 알)를 자외선 등으로 조사하여 유전자 물질을 비활성화시킨 후 정상알(또는 정자)과 수정하여 유기(誘起)시키는 자성(또는 융성) 발생, 제1 또는 제2감수분열·수정에서 일어나는 알에서의 제1 또는 제2극체의 방출 또는 제1난할을 저지함으로써 얻어지는 염색체세트(게놈)의 배수화, 또는 배(胚)·유생을 성호르몬으로 처리하는 등의 기법을 단독적으로 또는 조합함으로써 성의 통어(統御), 자성(또는 웅성) 발생 2배체 또는 3배체의 대량 조성 등이 가능하다.

배수화는 알을 일정시간, 고온(30∼40℃ 정도) 또는 저온(0∼3℃ 정도)의 물속에 담그거나, 고수압(高水壓;300∼600atm 정도)에서 방치하는 물리적 방법 또는 시토카라신B 등 화학약품 수용액에 침적하는 등 화학적 방법에 의해 방추사의 기능 또는 극체의 형성을 저해하여 이루어지는데, 이것들에 대한 여러 조건은 생물종에 따라 다르다.

또 어류(척추동물)의 난자가 제2감수분열 중기에서 수정하는 데 대해, 패류(무척추동물)의 대부분은 제1감수분열 중기에서 수정 가능하기 때문에 패류에서는 제1 또는 제2극체 방출저지에 의해 2종류의 3배체가 생기며, 둘 사이에서의 게놈차가 이것들의 특성에 반영한다. 많은 수산 증식·양식종에서 육종의 주목표는 생존·성장·내병(耐病)·환경요인 적응성 등의 개량이며, 자성발생2배체화와 성의 통어는 클론화의 촉진을, 또는 3배체화는 불임화와 이것에 따른 성장촉진 등을 목표로 해서 가자미·넙치·연어·옥새송어·은어·잉어·메기 등의 어류 및 전복·굴 등의 패류에서 시도되고 있다.

세포융합이 중심이 되는 세포공학은 일반적으로 변이의 확대 또는 교잡 등 육종기술의 한 방법으로서 기대되며, 진주조개 등에서 진주의 색조 개량 등을 목표로 시도되고 있으며, 세포배양을 포함한 관련기법의 확립이 성공의 열쇠가 될 것이다.

② 수산생물에서 검출·분리되는 흐르몬을 함유한 생리활성물질 등 특정 물품을 효율적으로 생성·양산(量産)하는 기술로서 제약·농예화학의 분야에서 개발된 유전자공학의 방법이 이용되고 있으나, 수산의 독특한 기술은 개발되지 않았다.

③ 특정 작용·기능의 효율화·고도화의 기술로서 집약적 양어용 순환수조의 수질정화에 미생물을 이용하는 일종의 바이오리액터기술이 개발되었다. 즉 벌집 모양의 플라스틱제 소재를 충전(充塡)한 바이오필터 안에 호기성 세균총(細菌叢)을 발생시켜, 통기와 함께 어패의 사육수조로부터의 배수를 적하(滴下)하면서 용존하는 암모니아 등의 산화를 촉진하는 한편, 혐기성 세균에 의해 앞서 서술한 산화에 따르는 생성물(아질산·질산염 등)을 순환수계(循環水系) 속에서 제거하여 장기간에 걸쳐 수질을 안정화하는 기술이다. 사육어패의 대사(代謝)와 세균의 발육상(發育相)과의 생태적 평형유지·조절이 성공의 열쇠이다. 바이오매스 시스템의 규모에 따라 오존화·탈질소장치 등의 부가가 필요하다.

[가축동물(축산기술)의 경우]

축산기술로서 현재 이용되고 있는 바이오테크놀로지는 크게 둘로 나뉜다. 그 하나는 발생공학이며, 또 하나는 유전공학(유전자공학)이다. 발생공학 분야는 이미 실용화되어 중요한 기술이 되었으며, 유전공학 분야는 발전이 기대되는 분야이다.

① 축산 분야에서는 발생공학 분야로서 종래부터 많이 사용되었으며, 이미 실용기술로 되어 있는 것이 인공수정이다. 냉동정자 저장기술이 발전하여, 현재 젖소는 거의 인공수정에 의해 번식이 이루어지고 있다. 수정란이식은 최근 실용화되었고 특히 우수한 젖소의 생산에 이용된다. 젖소의 경우에는 종모우(種牡牛)의 능력 판정에 시간이 걸리는 어려움이 있었다. 그래서 우수한 암소에 호르몬처리를 하여 과배란처리(過排卵處理)를 한 후 수컷의 정자를 인공수정하여 7∼8개의 수정란을 채취한다.

이렇게 하여 얻은 수정란을 능력이 떨어지는 암소에 대해 발정주기를 호르몬처리에 의해 동조시켜 수술을 하지 않고 난자의 이식을 한다. 그럼으로써 종래보다 빠른 속도로 암소의 비유능력(泌乳能力)이 향상되었다. 채취한 수정란의 성감별이 가능하다면 암컷의 수정란만을 이식해서 암소만을 생산할 수 있다. 이것에 관해서는 H―Y 항체를 이용해서 성감별을 하는 방법과, 최근 사람의 정자에서 성공한 원심분리법에 의해 X정자와 Y정자를 분리하고 그 중 X정자를 선택하여 인공수정하여 암소만을 생산하는 방법이 개발되고 있다.

이종(異種) 또는 이계통(異系統)의 수정란을 함께 배양해서 세포합체에 의한 키메라의 조성도 이루어지고 있으며, 마우스(mouse:실험용 흰 생쥐)에서는 키메라로 잡종강세(헤테로시스)가 발현된다. 교배로 새끼가 생기지 않는 염소와 양 사이에서도 키메라가 생겼다. 그러나 키메라에 의해 생긴 복합된 형질은 다음 세대에 전달되지 않는다. 수정란을 현미조작(顯微操作)하여 2∼4로 분할하고 가친(假親)의 자궁으로 되돌려 번식시키는 경우도 성공했다.

② 유전공학분야에서는 유용한 유전자 도입에 의한 능력향상의 실험이 행해지고 있으며 일부 그 성과가 나와 있다. 예를 들면 집쥐(랫:rat)의 뇌하수체에서 분비되는 성장호르몬의 구조유전자(DNA)에 간에서 중금속을 무독화하는 메탈로티오네인을 만드는 유전자의 프로모터 부분을 붙여 마우스수정란의 웅성전핵(雄性前核;난자에 침입한 정자의 합체 전인 것)에 현미조작에 의해 주입한다. 그럼으로써 다량의 집쥐성장호르몬을 간에서 생산하는, 보다 성장이 빠른 슈퍼마우스를 만들어내는 데 성공했다. 같은 방법으로 사람성장호르몬유전자를 토끼·돼지에 도입하는 데 성공했다.

[누에의 경우]

바이오테크놀로지라는 말이 사용되지는 않았으나, 누에에서는 내용적으로 현재의 바이오테크놀로지에 해당하는 기술이 일찍 개발되어 이용되었다. 다음 4가지로 나뉜다.

⑴ 클론개체의 조성

양서류나 마우스에서는 발생 초기의 난할핵을 흩어 놓고, 각기 다른 제핵세포(除核細胞)에 주입하여 개체로 키워내는 방법으로, 유전적 구성이 똑같은 클론을 조성하는 기술이 가능해졌으며, 누에에서는 단위생식을 유발하는 방법으로 클론을 조성하는 방법이 개발되어 이미 실제에 이용되었다. 누에에서 인위단위생식의 연구는 1899년 무렵부터 시작되었으며, 잡종강세의 계속 유지 등을 목적으로 해서 이후 많은 학자의 흥미의 대상이 되었다.

이것을 기술적으로 완성한 사람은 소련의 동물학자 B.L.아스타우로프이다. 방법은, 금방 우화(羽化)한 암나방에서 난소란을 추출하여 물 속에서 비벼 푼 다음 물기를 빼고 25℃에 12시간 보호한 후 46℃에 18분 접촉시키면 된다. 이렇게 하면 난핵의 감수분열이 지장을 받아 난세포핵은 반감하지 않고 분열 증식을 시작하여 개체발생에 들어간다. 이 방법으로 아스타우로프는 높은 성공률(최고 82%)을 보고했다.

⑵ 난세포의 동결보존

포유동물에서는 수정란을 액체질소 속에서 장기간 동결보존하는 방법이 개발되었으나 이 방법은 누에알에 그대로 적용할 수 없다. 구스다 준〔楠田潤〕 등은 유충체에서 추출한 난소를 액체질소 속에 동결보존하고, 일정 기간 후에 해동하여 다시 유충체로 되돌리고 난세포를 발육시킨 뒤, 이 난소란에 단위생식법을 적용하여 다음 세대의 누에를 얻는 데 성공했다.

⑶ 염색체 공학

누에에서는 오늘날의 재조합 DNA 기술의 선구가 된 방법이 이미 1943년 개발되었으며, 현재는 훌륭하게 실용화되었다. 원리는 특정한 유전자를 가지는 염색체 단편을 다른 유전자를 가지는 염색체로 방사선을 이용하여 전좌결합(轉座結合)시키든가, 염색체 일부를 제거하여 생리기능의 개선을 도모하는 것으로, 현재는 유충얼룩무늬나 알의 색에 따라 암·수를 감별할 수 있는 누에의 계통이나 품종이 조성되어 연구는 물론, 산업에도 이용된다.

⑷ 재조합 DNA

이 기술은 누에에서도 기초연구 단계이며 피브로인유전자 등의 구조를 연구할 목적으로 이용되고 있으나 형질개조나 육종을 목적으로 한 연구는 아직 없다.

[식물(농업기술)의 경우]

식물의 경우는 크게 다음의 5가지로 나뉜다.

⑴ 클론의 대량 증식

조직배양에 의한 식물체 재생능력을 응용해서 많은 식물에서 단기간에 대량의 개체를 증식할 수 있으며, 우량개체를 만들어내는 데서 신품종의 성립까지 연한을 대폭적으로 단축할 수 있게 되었다. 또 배양세포로부터 부정배(不定胚)를 대량으로 만들어 낼 수 있는 식물에서는 이 부정배를 인공막으로 감싸고 인공종자로서 다루는 기술이 주목되고 있다. 대량 증식에 관해서는 증식 효율을 높이기 위한 기술, 시험관 밖으로 나왔을 때 묘의 활착(活着), 배양 중에 일어나는 변이의 제어 등이 현재 중요한 관심사이다.

⑵ 변이개체의 선발

조직배양에 의해 얻어진 개체에는 유전적으로 변이한 것이 많으며, 그 변이를 소마클로널변이(somaclonalvariation)라 한다. 이 현상을 적극적으로 이용하여 감자·사탕곰팡이 등 영양번식성 작물에서 육종이 행해지고 있다.

⑶ 반수체(半數體) 및 순계식물(純系植物)의 육성

식물의 꽃밥 또는 배양하여 화분 유래의 반수체식물을 육성할 수 있다. 반수체식물은 열성 돌연변이체를 효율적으로 만들어내고 발견하는 데 유효할 뿐만 아니라, 그것을 배가함으로써 일거에 순계식물을 얻을 수 있어서 육종연한의 단축에 큰 효과가 있다. 다만 현재는 가짓과·유챗과·볏과의 식물 이외에는 꽃밥배양이 곤란한 것이 많다.

⑷ 원연잡종(遠緣雜種)의 작출

원연의 종 사이에 보통 교배 조작에 의해서 잡종이 얻어지지 않는 경우 시험관내수정, 배배양(胚培養), 배주배양, 씨방배양 등으로 수정배를 정상적으로 발육시켜 종간잡종을 얻을 수 있다. 그러나 이와 같은 방법으로도 잡종이 얻어지지 않는 경우에는 이것을 극복하는 방법으로서 세포융합법을 이용할 수 있다. 효소처리에 의해 식물세포에서 세포벽을 제거하고 프로토플라스트를 조성한 후 폴리에틸렌글리콜 등으로 처리함으로써 세포간 융합을 일으킬 수 있다.

이 방법을 이용해서 현재 토마토와 감자의 잡종인 <포마토>를 비롯하여 많은 체세포잡종을 만들어낸 예가 보고되고 있으나, 이질적인 게놈의 공존에 의한 유전적 불균형으로 생식기능이 불완전하게 되어 자손을 얻을 수 없는 경우가 대부분인 것 등 아직 남아 있는 문제가 많다.

⑸ 유전자재조합

Ti 플라스미드나 Ri 플라스미드 등을 유전자의 벡터로 이용하고, 카나마이신 저항성의 유전자 등을 식물세포에 도입하여 개체 수준에서도 그 형질이 발현된다는 것이 밝혀졌으나 실용형질의 도입에는 이르지 않았다. 그 외 핵이나 염색체의 도입에 의한 유전자의 부분적 수확이나 핵치환에 의한 핵―세포질잡종의 육성 또는 엽록체나 미토콘드리아에 의한 세포질유전자의 이입법 등이 검토되고 있다.

출전 : [한메디지탈세계대백과 밀레니엄], 한메소프트, 1999
   
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