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출처 : biozine

- 20세기의 회고와 신세기의 조명 -

문 희 / 과학기술한림원 이학부장

1. 머릿말

이제 막, 20세기 과학기술의 화려한 발전을 장식했던 한 시대의 막을 내리고 새 천년의 새로운 장이 열렸다. 20세기는 생명과학의 시대라 할 정도로 생명과학과 기술의 발전이 획기적으로 이루어 진 세기였다. 생명과학이 하나의 과학으로서의 기틀을 다지고, 기술혁신을 통한 산업적 이용이 극치를 이루었던 한 세기라 하겠다. 생명의 과학과 기술의 발전은 생명의 신비를 이해하고, 우리 인류를 지난 한 세기 동안 질병과 기근의 고통으로부터 해방시키는데 크게 기여해 왔다.

20세기의 생명과학의 발전은 생명현상을 분자수준에서 규명하고, 이러한 원리 를 이용하여 생명공학기술을 발전시켜 왔다. 궁극적으로 인류를 괴롭혀 왔던 감염성 질병을 정복하고 인간 수명을 연장했으며, 녹색혁명을 통하여 식량을 증산하는데 결정적 역할을 했다. 또한, 우리가 이룩한 근대 산업문명은 인류의 삶을 윤택하게 만들고 지속적 번영에 기여해 온 것이 사실이다. 그러나, 반대로 인구의 급격한 증가에 따른 환경의 오염과 식량자원의 부족, 고령화 사회의 도래, 새로운 질병의 출현, 등 우리 인류가 해결해 나가야 할 새로운 문제를 야기 시키고 있다.

우리 인류의 미래생존과 지속적 번영을 위하여 식량자원과 환경보전 그리고 건 강한 삶을 위한 생로병사에 대한 과제는 아무리 과학기술이 발전한다해도 끊임없이 새로운 문제로 대두될 것이며, 우리 인류 가 계속해서 해결해 나가지 않으면 안될 영원한 숙제가 될 것이다. 이러한 맥락에서 이제 막 새천년의 문턱에 들어선 이 시점에서, 지 난 세기에 이룩한 생명과학 발전의 발자취를 더듬어보고, 앞으로 21세기의 발전 전망을 살펴보기로 하겠다.

2. 20세기 생명과학기술의 발자취

20세기는 생명현상을 과학적으로 규명해 내는 한 세기라해도 과언이 아니다. 생 명현상은 크게 1)에너지와 물질의 전이현상(Energy transduction), 2)정보의 전이현상(Information transduction), 3)신호의 전이현상(Signal transduction) 등 세가기 기본현상으로 구분된다.

에너지 전이현상은 20세기초 파스퇴르의 효모 발효현상의 발견과 섬너에 의한 효소의 물질적 특성 규명을 위시해서 세포의 물질 및 에너지대사과정을 밝혀냄으로서 생명의 기본현상의 하나인 물질대 사 과정을 밝혀내게 되었다. 이러한 일련의 연구는 결국 당시까지 믿어왔던 생기론에서 기계론적 생명론으로 변환되는 계기가 되었다.

이어서 20세기 중반부터 급격히 발전하기 시작한 분자생물학은 유전자의 본질 을 밝혀내고 유전자 발현기작을 구명해냄으로서 또 하나의 생명의 신비를 밝혀내게 되었다. 이러한 결과는 DNA에 담겨 진 유전정보가 결국 단백질로 번역되고, 생물체의 특성과 기능을 결정해주는 유전형질로 발현되는 유전정보의 전이현상을 밝혀 내게 된 것 이다.

1970년대에 이르러서는 유전자를 인위적으로 조작하는 유전공학기술을 탄생시킴 으로서 생명현상을 분자수준에서 규명하는 새로운 방법론을 제공해 주었으며 생명공학의 응용의 폭을 넓혀주는데 기여 하였다. 생명현상의 유전공학적 연구는 세포 외의 환경변화에서 오는 신호를 세포 내로 전달하고 궁극적으로 유전자 발현을 조절하는 기작 이 하나하나 밝혀지기 시작하였다. 이것이 신호의 전이현상이며 생명체가 환경변화에 적응하고 세포의 분열, 성장, 분화, 노화, 사멸 과정을 조절하는 기본기작을 규명하는 관건이 된다. 이러한 세포기능의 조절기작에 대한 연구는 아직 초기 연구단계에 있다. 이러한 연구 결과는 세포의 homeostasis 기작을 이해하고 질병의 원인을 밝혀내는 관건이 될 것이며, 앞으로 21세기 생명과학 분야의 중요 한 연구과제가 될 것이다.

생명과학의 발전은 결과적으로 생명공학기술의 혁신을 가져왔다. 이러한 생명현 상의 기초연구를 통하여 미생물 발효기술, 식량자원의 육종기술 그리고 의약학적 응용기술의 폭을 넓혀왔다. 미생물 발효기 술은 1940년대에 이르러 항생물질인 페니실린의 대량 생산공정이 개발됨으로서 화학요법의 혁신과 근대발효공업기술 발전의 계기가 되 었다. 1960년대에 이르러서는 설탕 대체 감미료 이성화당의 효소공정이 산업화됨으로서 효소공학기술의 세계적 붐을 이루기도 했다. 그러나, 생명공학 분야에서 획기적 기술혁신의 장을 연 것은 역시 1970년대에 출현한 유전공학기술이라 하겠다. 이러한 유전공학은 1978년 사람의 인슈린을 대상균에서 발현시키는데 성공함으로서 산업적 응용의 길을 열었다. 유전공학적 인슈린은 '휴무린'이란 이름으 로 1982년에 처음으로 시판되었으며 유전공학의 첫 제품이 되었다. 이 후 수십 가지의 바이오-의약품이 유전공학기술로 개발되어 상품 화되었다.

유전공학의 의학적 이용에 있어서는 1990년에는 미국 유전학자 앤더슨이 선천 성 면역결핍증에 대한 유전자 치료를 최초로 실시한 바 있으며, 유전병 치료의 새로운 장을 열 개 되었다. 최근에 이르러 서는 1998년 노벨 생리학상을 수상케한 NO 분자가 인체 내에서 신호전달 매체로서 중요한 역할을 한다는 것이 구명되었으며, 이 러한 연구를 기초로 발기부전증 치료제인 '비아그라'가 개발되기도 했다.

또한, 유전공학의 농업적 응용에도 성공하여 물르지 않는 토마토인 '후레이버세 이버' 그리고 최근 우리나라에도 수입되고 있는 '유전자 콩' 등, 유전공학적 농산물이 우리 식탁에 오르고 있다. 1987 년에는 인간 성장홀몬 유전자로 형질전환시킨 '슈퍼생쥐'가 탄생되고, 우리나라에서도 인간 락토페린을 생산하는 형질전환 젖소를 만들어내기도 했다. 1997년 영국에서 복제양 '돌리'를 탄생시킴으로서 인간복제 가능성에 대한 윤리적 문제가 제기되기도 했다.

유전공학 분야에서 야심찬 연구는 인간 유전자 염기서열을 총체적으로 분석하자 는 유전체 구조분석 프로젝트라 하겠다. 1989년에 미국 NIH에서 처음 시작한 이 프로젝트는 2003년 완전해독을 목표로 추진하던 계 획이 순조롭게 진행되어 금년 내로 인간 유전체 구조를 완전 해독해 낼 것으로 전망하고 있다. 이러한 인간 유전체 연구는 이제 시작에 불과하며, 유전체 구조연구에 이어서 앞으로 새로운 유전자의 검출과 기능의 분석연구에 세계적인 관심이 집중돼 있 다.

3. 21세기 생명공학의 과제

우리 인류가 살아있는 한 해결해 나가야 할 영원한 과제는 인간의 생로병사의 원인을 규명하고 이를 제어할 수 있는 기술이 개발되어 건강한 삶의 사회를 구현하는 것이라 하겠다. 인간 유전자의 비밀 이 완전 해독되어 질병유전자의 구조가 밝혀지고, 이러한 유전정보가 D/B화 되어 질병의 진단예측이 이용됨으로서 불로장생의 꿈 을 실현하게 될 날이 멀지 않을 것 같다. 미국 클린턴 대통령은 연구기자회견에서 21세기에는 인류의 수명이 150세에 이를 것으로 전망한 바 있다. 암이나 성인병과 같은 난치병을 제어할 수 있는 '맞춤처방'이 개발되고, 모든 것이 완벽하고 건강한 '맞춤 아기'의 탄생도 멀지 않을 것으로 예견된다. DNA 칩 또는 단백질 칩을 이용한 초고속 진단기술이 보편화되고, 신약 개발에 널리 이용될 것이 다. 유전자 요법이 보편화되어 병원치료 시스템이 대변혁을 가져올 것이며, 뇌기능이 상당히 밝혀져서 감정조절이나 기억력 제고 기술이 개발될 것으로 기대된다.

21세기 생명공학이 기여해 나가야 할 분야가 식량자원의 증산이다. 지난 세기 동안 고전적 육종기술에 의해서 폭발적으로 증가되는 인구를 먹여 살릴 녹색혁명은 달성했으나, 아직도 세계 인구증가 속도 가 식량증산 속도의 2배에 달하고 있어서 식량자원의 부족현상은 국제적 관심사가 아닐 수 없다. 앞으로 21세기의 식량증산기술은 고 전적 육종기술이 아니라 유전공학기술에 의한 분자육종기술의 발전에 의해서 가능해 질 것으로 전망된다. 농업분야에 있어서도 벼와 같은 식물 유전체 구조와 기능의 규명과 응용연구를 통하여 환경내성, 다수확, 그리고 특수기능성 품종이 개발되어 실용화 될 전망이다. 이 미 실험실적으로 개발된 '복제 고기'나 '슈퍼 물고기'가 양산되고 우리 식탁에 오를 것이 확실하다. 또한 농업의 개념이 전통적 농작물의 재배에서 모든 생물자원의 배양생산기술로 확대되고, 전천후 농작물 생산공장으로 전환될 것이다.

21세기를 커다란 과제는 환경보전과 지속가능개발의 문제이다. 이를 위해서는 생명공학과 같은 환경 친화적 기술이 전 산업분야로 확산, 응용돼 나가는 것이 필요하다. 환경분야에서는 공해문제를 근 본적으로 해결해 나가기 위해서는 1)환경오염을 원천적으로 발생하지 않거나 저감할 수 있는 대체기술 또는 청정기술, 2)발생된 오염 물질을 발생현장에서 처리하는 기술, 3)오염물질이 환경에 노출됐을 경우, 오염된 생태계를 복원할 수 있는 생물복원기술의 개발 이 필요하다. 코넬대학의 발표한 조사결과에 의하면, 생물이 사람에 기여한 가치는 무려 2조9천억불에 달하고, 이중 환경정화에 기 여한 가치는 1초2천억불에 달한다고 했다. 오늘날 환경분야에서 이미 미생물 또는 효소공정기술이 널리 이용되고 있으나, 앞으로는 극 한환경 미생물 및 관련 효소의 개발이용으로 우리의 눈을 돌려야 할 필요가 있다.

지난 한 세기 동안 생명공학기술은 생명과학의 진보에 따라 급속도로 발전해 왔 으며, 반대로 생명공학기술의 개발은 생명과학 기초연구에 즉각 응용되어 생명현상의 새로운 원리를 규명해 내는데 기여해 왔 다. 앞으로도 과학과 기술의 상호협동적 발전과정은 되풀이 될 것이 자명하다. 21세기 생명과학 연구의 초점이 될 몇 가지 과제를 전망해 보고자 한다.

1) 세포기능의 조절기작 :

생명과학 연구의 궁극적 목표는 결국 생명현상을 유 지하는 homeostasis 기작이 될 것이며 이러한 현상은 세포기능의 조절기작의 이해로부터 시작될 것이다. 세포는 이러 한 조절기작을 통하여 분열주기, 성장, 분화, 노화 및 사멸의 기능을 유지하게 된다. 이러한 조절기작이 유전자의 변이 또는 외부의 요인 에 의해서 통제불능이 되고 비정상적 기능을 일으킬 때 생명체는 질병으로 나타나게 마련이다. 일반적으로 생명체의 homeostasis 기작 은 생명의 3대현상인 에너지, 정보 및 신호의 전이과정을 되먹이 조절기작(feed-back control mechanism)에 의해서 이루어지며, 이러한 조절기작은 여러 가지 조절인자 간에 복잡한 상호 network를 형성하여 영향을 미치게 된다. 또한 세포기능의 조절인자들은 조절과정을 통제하기 위한 'switch-on & off' 기작으로 연결된다.

이러한 조절인자들로는 신호전달과정의 messenger 그리고 tranional control에 작용하는 여러 가지 traion factor 들이 좋을 사례가 된다. 세포기능 조절의 기본기작으로 중요한 사례로는 1) Protein- protein 및 protein-ligand interaction, 2) Phosphorylation- dephosphorylation 및 acetylation-deacetylation 과정과 같은 단백질의 2차적 수식과정, 3) Protease에 의한 단백질의 기능 변화과정 등을 들 수 있으며, 앞으로 계속 심층 연구가 요청되는 중요분야가 될 것이다.

2) Functional genomics 및 Proteomics :

인간 유전체 구조분석은 금년 내로 완성될 것으로 전망하고 있다. 이제부터의 유전체 연구는 알려진 유전체 염기서열 속에서 새 로운 유전자를 발굴하고 그 기능 밝혀내는 연구에 초점이 맞추어지고 있다. 유전체 기능연구를 통해서 궁극적으로는 질병에 관련된 biomarker를 찾고 신약개발을 위한 신약의 타겟 및 후보물질 탐색을 가속화하여 질병의 진단 치료에 응용될 것으로 전망된다.

그러나, 유전체 기능연구에서 우리가 간과해서는 안될 것은 유전자의 발현산물 은 단백질이란 것이다. 한 개 유전자의 발현산물로 검출된 한 개의 단백질은 그 자체로 기능을 발휘하는 것도 있겠지만, 세포 내에서는 여러 단백질의 복합체를 형성하여 그 기능을 발휘하게 되는 것이 대부분이다. 세포내에서 유전체에서 발현되는 proteome 중 에서 새로운 단백질을 찾아내고 그 기능을 밝혀낸다는 것은 유전체 기능연구의 또 다른 접근방법이 될 것이며 앞으로 개척해 나가 야 할 중요한 과제가 된다. 오늘날, proteomics 연구는 유전체 기능연구에 있어서 새로운 첨단기술로 부각되고 있다.

유전체 기능연구는 최근 급속도로 발전하고 있는 DNA mirocarray chip이나 protein chip 기술의 개발에 의해서 가속화 되고있다. 또한 유전체 및 단백질의 구조와 기능에 대한 정보 를 질병의 상태와 연계시켜 체계화하고 D/B화 하여 질병의 진단과 예측 그리고 신약개발의 타겟 발굴에 널리 응용되는 생물정보기술 (bioinformatics)의 개발도 미래의 중요한 연구분야가 되고 있다.

3) 뇌 기능 :

생명과학에서 아직도 미지의 세계로 남아있는 분야가 바로 뇌 기 능 연구분야이다. 20세기에는 신경의 신호전달 기작의 전기생물학적 연구 그리고 synapsis의 신경전달물질에 관한 연 구가 이루어져 있지만, 신경세포의 집합체인 두뇌의 기능에 대해서는 아직도 미개척지로 남아있다. 아무리 컴퓨터 용량을 크고 빠르 게 만든다해도 우리 두뇌의 형상인식 기작을 쫓아가지 못하며 인간 두뇌의 기억용량을 능가하지 못할 것으로 전문가들은 말하고 있다. 여하간, 뇌 기능의 연구를 통해서 앞으로 신경컴퓨터 개발의 기초를 제공해 줄 것이며, 학습과 기억 그리고 지능에 관한 연구는 우 리 두뇌개발을 촉진하는 기술이 된다. 또한 신경세포의 성장과 신경전달물질의 신호전달 기작의 분자생물학적 연구는 신경질환을 이해하 는 기초가 될 것이다. 앞으로 뇌과학적 연구는 신경의 전기생물학적 연구와 분자생물학적 접근방법을 접목시킴으로서 새로운 도약을 이룩 할 수 있을 것이며, 21세기 생명과학의 중요한 분야로 부각되고 있다.

4. 우리의 대응

20세기가 산업사회에서 정보화사회 그리고 지식기반사회로 변천하는 시대라 한 다면, 21세기는 '삶의 질'이 강조되고 환경과 생명이 존중되는 '생명사회'로의 변천이 이루지게 될 것이다. 이러한 사회 적 가치관의 변혁은 궁극적으로 과학기술의 패러다임의 변화를 야기 시킬 것이며, 생명공학기술의 진보에 따라 가속화될 것으로 전 망된다. 과학기술의 패러다임은 요소과학기술은 복합과학기술로, 에너지 다소비 기술은 에너지 절약기술로, 환경오염유발기술은 환경친화적 기술 로 변천하고 있다. 이러한 과학기술의 패러다임 변화에 대비해서 우리의 21세기 과학기술 발전전략을 강구해 나가야 할 것이다.

미래의 과학기술은 학문의 발전으로 끝나지 않고 무역과 경제 그리고 환경 등 국가의 모든 이익과 직결되고 이를 극대화하는 국가적 전략으로 이어지고 국제적 네트워크를 형성하게 될 것이다. 또 한 과학기술은 과학기술 자체로 머물지 않고 정치. 경제. 사회와 연관해서 국제적인 규범이 점점 더 강화돼 나갈 전망이다. 생명공학 분야 에서는 유전자 조작생물(LMO 또는 GMO) 또는 식품에 대한 안전성 문제 그리고 동물복제기술에 대한 윤리문제 등이 국내외적 관 심사로 부각되고 있다. 우리도 생물 안전성과 윤리적 문제 등에 대비해서 대응전략을 마련하고 생명공학의 올바른 가치관을 정립 해 나가야 할 것이다.

지난 세기의 우리 생명공학계의 현실은 앞선 나라를 뒤쫓아가는데 급급했으며, 선진국의 모방연구를 면하지 못한 것이 사실이다. 그러나 이제까지의 노력으로 이제 독자적 연구개발 기반이 구축되고 전문연구인력이 양성 확보되어 금세기에는 우리가 목표로 하는 바 국제경쟁력이 있는 기술개발의 성과를 충실히 달성할 수 있는 여건이 조성 되었다고 판단된다. 그러나, 기초연구 성과는 실용화로 이어져야 그 가치가 배가될 것이며, 이를 위한 기술이전의 제도와 하부구조가 구 축되어야 한다. 이러한 맥락에서 대학과 연구기관의 벤처기업 창업을 장려하고 있으며, 지난해에는 기술이전촉진법이 제정되어 기술 거래를 촉진시킬 수 있는 제도적 장치도 마련되었다. 그러나, 기술이전의 흐름이 원활히 지속되려면 신기술과 신지식이 지속적으로 공급되 어야 하며, 이를 위한 기초과학 육성과 원천기술 개발의 정책적 지원이 확대되어야 할 것이다.

21세기 생산적 복지사회 구현을 위해서 우리는 건강하고 풍요롭고 깨끗한 환경 에서 삶을 영위할 수 있는 경제사회적 여건이 갖추어져야 한다. 또한 이러한 문제의 해결은 생명과학기술의 진보에 따라 지난 한 세기 동안 새로운 길을 열어주었으며, 앞으로 21세기에도 새로운 가능성을 제시해 줄 것으로 전망된다. 새로운 질병 에 대한 대처, 종자전쟁에 대한 대비, 유전자자원 보존, 이용의 극대화, 바이오 칩을 이용한 신약개발 등 우리 생명공학계가 관심 을 갖고 수행해 나가야할 과제가 많다. 이제 21세기를 맞이하여 우리 생명공학계가 새로운 기술개발 목표와 전략을 설정하고 힘을 모아 연구개발에 임한다면, 우리는 국제적 수준의 신기술을 개발해 내고 세계 기술시장에 진출해 나갈 수 있다고 확신한다.