20. 유전자 재조합 기술의 발전

이번 포스팅부터는 생물공학의 꽃이자 가장 중요한 파트인 "유전자 재조합"에 대하여 알아보도록 하겠습니다. 먼저 유전 공학의 역사부터 짚어보며 유전자란 무엇인지 알아보도록 하겠습니다.

A. 유전 공학의 역사

분자 생물학은 20세기에 빠른 발전을 이루었습니다. 1910년 미국의 유전학자 토머스 헌트 모건은 유전자가 염색체에 있다고 주장했고, 1928년 영국의 프레드 그리피스는 변형 인자인 유전 물질의 존재를 증명했습니다. 이후 1944년 오스왈드 에이버리는 그리피스가 증명한 유전 물질이 DNA임을 증명했습니다.
1941년 조지 비들과 에드워드 테이텀은 유전자가 효소에 해당한다고 주장했지만 나중에 한 유전자가 폴리펩타이드를 지정한다는 것이 증명되었습니다. 1953년 제임스 왓슨과 프랜시스 크릭은 DNA의 3차원 구조를 제안했고, 1966년 코라나와 니렌버그는 유전자 암호를 해독했습니다.
그는 또한 "지구상의 모든 생명체는 핵산을 유전 물질로 가지고 있으며, 단백질은 동일한 유전 암호를 통해 핵산으로부터 합성된다"고 배웠습니다. 이후 유전자 절단을 위한 제한 효소 분리, 재조합 DNA 기술(recombinant DNA technology) 확립, 유전자 재조합 기술을 통한 인간 인슐린 생산, 인간 성장 호르몬을 생산하는 돼지 탄생, 유전자 변형 토마토 생산, 인간 유전자 지도 완성을 위한 human genome project의 성공은 오늘날의 genomics, proteomics, bioinformatics의 탄생으로 이어졌습니다.
생명공학의 발전과 지식의 확산은 종 간의 장벽을 넘어 유전자를 한 유기체에서 다른 유기체로 옮기고 서로 다른 유전자를 결합하며 유전자 발현을 인위적으로 제어할 수 있는 단계에 이르렀습니다. 이제 특정 유기체의 유전자나 유전적 특성을 인류에게 유익한 방향으로 변경할 수 있게 되었습니다.
생물을 이용해 유용한 물질을 생산하는 생물학적 공정은 "생물 자체의 특성을 개선하고 공정의 효율성과 생산성을 높일 수 있다"는 장점이 있습니다. 생물의 특성을 개선하거나 균주를 개선하는 작업이 지속해서 진행되어 왔습니다. 앞으로도 계속 발전할 수 있을 것이며 그 속도는 더욱 빨라질 것입니다. 이는 주로 분자 생물학과 유전학의 발전에 기인합니다. 오늘날 "모든 유전자를 인위적으로 조작할 수 있다"고 볼 수 있습니다

 

B. 유전자의 기능 및 특성

1940년대 중반, 우리는 핵산인 DNA와 RNA의 기본 화학 구조를 알게 되었습니다. DNA와 RNA는 염기, 인산, 당으로 구성되어 있으며, 당이 데옥시리보스(2-deoxyribose)와 리보스(ribose)일 때 각각 DNA와 RNA로 명명됩니다. DNA를 구성하는 네 가지 염기는 아데닌(A,  adenine), 구아닌(G, guanine), 사이토신(C, cytosine), 티민(T, thymine)입니다. 우라실(U, uracil)은 티민 대신 RNA에서 발견됩니다.
핵산의 구성단위인 염기, 인산, 당을 뉴클레오타이드(nucleotide)라고 하며, 인산이 없고 염기와 당으로만 구성된 것을 뉴클레오사이드(nucleoside)라고 합니다.
각 뉴클레오타이드는 당의 세 번째 탄소 위치에 hydroxyl(-OH) 그룹이 있고 다섯 번째 탄소 위치에 인산기(phosphate)가 있습니다. 탄소 5에 부착된 인산기는 인접한 뉴클레오타이드의 탄소 3에 있는 하이드록시일 그룹을 연결하여 폴리뉴클레오타이드 사슬을 형성하는데, 이를 이인산 결합이라고 합니다.
왓슨과 크릭이 밝힌 바와 같이 DNA는 이중 나선(double strand) 구조를 가지고 있습니다. 각 단일 가닥 DNA는 두 염기쌍 사이에 수소 결합을 통해 이중 가닥 DNA를 형성합니다. G는 C에 특이적으로 결합하고 A는 T에 결합하는데, 이를 상보 염기쌍(complementary base pair)이라고 합니다. 이러한 상보적 결합 관계는 유전공학 관련 기술에서 매우 중요한 기초를 제공합니다.

 

C. 유전 정보의 전달 및 단백질의 생합성

유전자는 유전 정보의 저장고입니다. 즉, 단백질 합성에 필요한 아미노산의 서열순서는 유전자의 구성단위인 뉴클레오타이드의 염기 서열에 의해 결정됩니다. 세 가지 뉴클레오타이드의 염기 서열은 하나의 아미노산을 지정합니다. 따라서 DNA의 염기 서열에 저장된 유전 정보가 전달되어 단백질 생합성까지 일련의 복잡한 과정이 필요합니다.
첫 번째는 전사(transcription) 과정입니다. DNA 유전 정보는 RNA 중합효소(RNA polymerase)를 통해 메신저 RNA(mRNA, messenger RNA)를 생성하는 과정입니다. 이 과정에서 DNA의 이중 가닥이 열리고, 이 둘 중 주형 DNA(template DNA)의 염기 서열에 상보적인 염기 서열을 가진 mRNA의 생합성을 통해 유전 정보가 DNA에서 mRNA로 전달됩니다. 그런 다음 mRNA는 세포질의 단백질 생합성 메커니즘인 리보솜으로 전달되어 전사 RNA(tRNA, transfer RNA)에 의해 전달되는 아미노산을 사용하여 단백질을 합성하는 유전 코드로 사용됩니다. 이 과정을 통해 많은 아미노산을 구성단위로 하는 단백질이 생합성됩니다. 이 과정을 번역(translation)이라고 하며, 이때 mRNA에 특정 아미노산을 지정하는 염기 서열을 코돈(codon)이라고 합니다. 세 개의 염기가 하나의 코돈을 형성하여 하나의 아미노산을 지정합니다.
즉, DNA를 구성하는 염기의 종류와 배열 순서에 따라 앞으로 합성할 단백질의 종류가 결정됩니다. 좁은 의미에서 유전자 재조합은 DNA를 구성하는 뉴클레오타이드를 연결하는 이인산 결합을 분해하고 DNA를 절단하거나 새로운 이인산 결합을 형성하여 구성 염기의 종류와 서열을 인위적으로 변경하는 것입니다.

 

유전 정보를 통해 단백질 합성까지 이어지는 과정을 통해 유전자 조작으로 생산물(2차 대사물질)에까지 영향을 미치게 되는 것을 알 수 있었습니다. 다음 포스팅에서는 유전자 재조합 내용을 이어 유전자 재조합 관련 다양한 주요 용어에 대하여 알아보도록 하겠습니다.