인공 DNA의 놀라운 가능성

살아있는 모든 세포들은 DNA의 기본 단위인 A,T,C 그리고 G의 네 가지 유전자 글자의 결과물이었습니다. 그러나 이제는 그 사실도 바뀌었습니다. 합성생물학자인 플로이드 롬스버그는 이 놀라운 강연에서 기존의 네 글자에 인간이 만든 X와 Y를 더하여 여섯 글자로 이루어진 DNA와 그것으로 만든 최초의 생명체를 소개합니다. 그리고 이 획기적인 발전이 자연계의 설계에 대한 우리의 생각을 어떻게 바꿀지 이야기합니다.

모든 생명체

살아있는 모든 것들은

DNA 안의 정보에 따라 만들어집니다.

그게 무슨 의미일까요?

말하자면 영어 단어와 같습니다.

알파벳 철자들이 모여서
단어를 이루는 것과 같죠.

그런 단어들 덕분에 저도 오늘
이렇게 말할 수 있는 것입니다.

DNA는 유전정보를 가진
문자로 구성되고

그것들이 유전자를 구성함으로써
세포가 단백질을 만들 수 있게 됩니다.

단백질은 실과 같은 아미노산이
복잡하게 얽혀 있는 구조로서

단백질을 통해서 세포가
자기 기능을 할 수 있습니다.

이에 대한 이야기를
들려드릴까 합니다.

영어 알파벳은 26개 글자이지만,
유전자 알파벳은 4개입니다.

이미 잘 알려져 있죠.
다들 들어보셨을 겁니다.

주로 G, C, A, 그리고 T로 표현되죠.

그런데 정말 놀라운 점은

모든 생명체의 다양성이
이 네 글자의 산물이라는 것입니다.

만약 영어 알파벳 글자가 네 개라면
무엇을 할 수 있을지 상상해보세요.

어떤 이야기들을 할 수 있을까요?

만약에 유전자 글자가
더 많았다면 어땠을까요?

더 많은 글자들로 만들어진 생명체는
어떤 다른 이야기를 만들어 냈을까요.

아마 더 흥미로운 이야기겠죠?

1999년에 캘리포니아 라호야에 있는
스크립스 연구소의 저희 연구진은

이 질문에 대한 연구를 시작했습니다.

6개의 유전자 글자로 구성된 DNA로
살아있는 유기체를 만들고자 했죠.

기존의 네 글자에 인간이 만든
두 글자를 추가하는 것입니다.

그런 유기체는 최초로 지금까지와는
전혀 다른 형태의 생명체일 것입니다.

반(半) 합성 생명체로서

지금까지의 생명체보다
더 많은 유전 정보를 갖게 되죠.

그러면 새로운 단백질을
만들 수 있습니다.

단백질 생성에 쓰이는 아미노산이
20종이 늘어나게 되어

새로운 단백질을 생성할 수 있게 되죠.

그런 생명체는 어떤 이야기를
전할 수 있을까요?

합성화학과 분자생물학을 무기로
20년 가까이 연구한 결과,

우리는 여섯 글자의 DNA를 가진
박테리아를 만들었습니다.

그 과정을 말씀드리죠.

고등학교 생물 시간에
배웠던 것을 떠올려보면

네 개의 유전자 글자는 기본적으로
두 개의 쌍을 이룹니다.

G는 C와, A는 T와 쌍을 이루죠.

우리는 여기에
새로운 글자를 더하기 위해

수백 가지의 새로운 유전 글자
후보군들을 합성하고

어떤 것들이 서로 쌍을
이룰 수 있는지 평가했습니다.

그리고 연구 15년 만에

매우 잘 맞는 쌍을 이루는
두 개의 글자를 찾았습니다.

최소한 시험관 안에서는 말이죠.

그 글자들은 사실 복잡한 이름이지만
쉽게 X와 Y로 부르기로 했습니다.

다음으로 할 일은 X와 Y를 세포 안에
넣는 방법을 찾는 것이었습니다.

결국 유사한 기능을 하는
단백질을 해조류에서 찾아냈고

우리 박테리아에 적용했죠.

이제 마지막으로 할 일은

X, Y가 투입되었음을
증명하는 것이었습니다.

세포가 자라고, 분열하면서 X와 Y를
DNA에 가지고 있어야 했죠.

여기에 이르기까지 제 예상보다
시간이 꽤 오래 걸렸습니다.

사실 저는 매우 인내심이
없는 사람이거든요.

그러나 가장 중요한 단계에서는
생각보다 빠르게 진행되었습니다.

정말 빨랐죠.

2014년의 어느 주말에

제 연구실의 한 대학원생이 여섯 글자
DNA로 박테리아를 만들었습니다.

이 자리에서 그걸 보여드리려고 합니다.

이것은 그 박테리아의 실제 사진인데요.

최초의 반합성 유기체입니다.

여섯 글자 DNA를 가진 박테리아죠.
정말 멋지지 않습니까?

음, 아마도 몇몇 분들은
여전히 궁금하실 텐데요.

저희가 왜 이것을 만들었는지
좀 더 말씀드리겠습니다.

개념과 실용성
두 가지 측면에서요.

개념 측면에서, 사람들은
생명에 대해 생각해왔습니다.

생명이란 무엇이며,
죽어있는 것과 어떻게 다른지

사람들은 늘 생각해왔죠.

많은 사람들은 생명체를
완벽한 존재라 생각하고

이를 창조주가 있다는
증거로 여겼습니다.

살아있는 이유는 신이 생기를
불어넣었기 때문이라는 거죠.

과학적인 설명을 원하는
사람들도 있었지만

그들 또한 생명체를 이루는 분자를
특별하게 여겼다고 할 수 있습니다.

말하자면, 수십억 년 동안
진화를 거쳐 최적화되었으니까요.

여러분의 관점이 무엇이든

화학자들이 가담해서 새로운 부분을
만드는 건 불가능해 보일 것입니다.

자연적인 생명체 분자 내에서
어울려 기능하면서도

다른 것에 전혀 피해를
주지 않는 건 불가능해보였죠.

그럼 우리는 어떻게 완벽하게
창조되고 진화되었을까요?

생물 분자는 대체
얼마나 중요힌 걸까요?

지금까지는 심지어 이런 질문
자체가 불가능했습니다.

비교할 다른 생물이 없었기 때문이죠.

그런데 이제 처음으로
저희 연구는 이렇게 말합니다.

어쩌면 생명체의 분자가 그리
특별한 게 아닐 거라고 말이죠.

어쩌면 우리가 아는 생명체는
유일무이한 것이 아닐지도 모릅니다.

우리가 유일한 답이 아닐지도 모르고
최선책은 더욱 아닐지 모릅니다.

그저 여러 해결책들 중 하나일 뿐이죠.

이러한 질문들은 생명체에 대한
기본적인 문제를 다룹니다.

하지만 다소 난해할지도 모르죠.

그럼 실질적 측면의 동기는 무엇일까요?

음, 우리는 새로운 이야기를
찾고 싶었습니다.

더 많은 어휘를 구사하는 생명체가
들려줄 이야기 말이죠.

여기서 말하는 이야기란

세포가 만들어내는 단백질과
그들이 가진 기능을 의미합니다.

뭔가 새로운 기능을 하는
새로운 종류의 단백질을

반합성 유기체로 만들고
심지어 활용할 수 있을까요?

음, 몇 가지 생각해둔 것은 있습니다.

우선은 우리를 위해 필요로 하는
단백질을 만드는 세포를 얻는 것입니다.

현재 단백질은 다양한 영역에서
활용 범위를 넓히고 있습니다.

군인들을 부상으로부터
보호하는 물질에서부터

위험 물질을 탐지하는
장치에까지 사용되고 있죠.

하지만 적어도 저에게는

단백질 약제로서의 활용이
가장 흥미로운 부분입니다.

비교적 새로운 것임에도 불구하고

단백질 의약품은 이미
의학계의 혁신을 불러왔습니다.

예를 들어, 인슐린도 단백질이죠.

여러분이 아마 들어보셨을텐데요.

약품으로 개발된 인슐린 덕분에
당뇨병 치료법이 완전히 바뀌었습니다.

그런데 문제는 단백질 합성이
굉장히 어렵다는 점입니다.

단백질을 합성하는 가장 확실한 방법은
몸 안의 세포가 직접 만드는 것입니다.

물론, 자연적인 세포는

자연적인 아미노산으로
단백질을 만들 수 있습니다.

그렇게 만들어진 단백질의 특성과

그것이 어떻게 쓰일지는

그 단백질을 구성하는
아미노산에 의해 결정됩니다.

자 이걸 한번 보세요.

단백질을 구성하는 20 종의
정상 아미노산들입니다.

생긴 모양이 서로 그리 다르지 않죠.

기능도 서로 크게 다르지 않습니다.

각각의 역할이 크게 다르지 않죠.

화학자들이 약제 합성에 쓰는
작은 분자들과 비교해볼까요.

자, 단백질보다 훨씬 단순하죠?

하지만 훨씬 더 다양한 것들로부터
반복적으로 만들어집니다.

분자의 세부 구조는 신경쓰지 마세요.

분자들이 서로 얼마나
다른지만 보시면 됩니다.

사실, 그 분자들의 차이점은

다양한 질병들을 다룰 수 있는
좋은 약을 만들 수 있다는 것입니다.

이 점이 정말 호기심을 자극합니다.

어떤 새로운 종류의 단백질 약제를
만들 수 있을지 궁금해지는 거죠.

더 다양한 분자들로 단백질을
구성할 수 있게 된다면요.

그럼 우리의 반합성 유기체를 통해서

전과 다른 새로운 아미노산으로
단백질을 합성할 수 있다면

단백질의 아미노산을 선별해서

원하는 특징이나 기능을
부여할 수 있겠죠?

예를 들어보죠.

많은 단백질은 사람한테
안정적으로 주입되지 않고

빠르게 분해되거나 사라집니다.

그리고 약품으로서 기능하는 것을 막죠.

만약에 새로운 아미노산으로
단백질을 만들어서

사람들에게 주입할 수 있고

그런 상황을 막을 수 있다면

다시 말해, 분해되거나
사라지는 것을 막을 수 있다면

단백질이 더 좋은 약이
될 수 있을까요?

아니면 단백질에 작은 손가락을 달아서

다른 분자들을 붙잡게 하면 어떨까요?

많은 작은 분자들을 약품으로
개발되는 데 실패했습니다.

왜냐하면 충분치 않은 양으로

인간의 복잡한 몸 속에서
목표물을 찾기 어렵기 때문이죠.

그렇다면 이런 분자들로
새로운 아미노산에 포함시키고

그것이 단백질로 바뀌게 되면

단백질이 치료 목표까지
유도할 수 있지 않을까요?

저는 Synthorx라고 불리는
생명공학 회사를 차렸습니다.

Synthorx는 끝에 X를 더한
반합성 유기체를 의미합니다.

그게 그 생명공학 회사가
하는 일이거든요.

(웃음)

Synthorx는 제 연구실과
긴밀하게 협업했습니다.

인간 세포의 표면에서
특정 수용기를 인식하는

단백질에 흥미를 보였습니다.

하지만 문제가 있었어요.

그 단백질이 세포면의
다른 수용기와 결합하면

독성을 보인다는 것이었습니다.

그래서 우리는 변형된 단백질을
만들어야 했습니다.

두 번째의 나쁜 수용기에
반응하는 부분을 보호하기 위해

커다란 우산 같은
무언가로 막아야 했죠.

그래야 단백질이 첫 번째의
좋은 수용기에만 반응할 테니까요.

그건 매우 어려운 일이고

정상적인 아미노산으로는
불가능한 일입니다.

하지만 그런 목적으로 설계된
아미노산은 얘기가 다르죠.

그래서 우리는 반합성 세포를 이용해

더 나은 단백질 약물을 생산하는
작은 공장으로 삼았습니다.

흥미로운 활용법은 이뿐만 아닙니다.

왜나하면, 단백질은 세포가
자기 일을 하도록 하기 때문이죠.

만약 새로운 기능의 단백질을
만드는 세포가 있다면

자연적인 세포가 할 수 없는 일을
하도록 만들 수 있지 않을까요?

예를 들어, 우리가 개발한
반합성 유기체가

사람 몸 속에 주입되어
암세포를 찾도록 하면 어떨까요?

그리고 암세포를 찾았을 때만

숨겨진 독소로 암세포를
죽일 수 있지 않을까요?

여러 종류의 기름을 먹는
박테리아를 만들면 어떨까요?

그러면 유출된 기름을
청소할 수 있지 않을까요?

이 이야기들은 단지
몇 가지 사례일 뿐입니다.

생명체가 더 많은 어휘를 갖게 되면
우리에게 들려줄 이야기들이죠.

어떤가요. 멋지지 않나요?

반합성 유기체를
사람 몸 속에 주입하거나

박테리아 수백만 리터를 바다나
좋아하는 해변에 쏟아버린다고요?

이런, 잠깐만요.
사실 좀 무서운데요.

이 공룡은 매우 무섭습니다.

그런데 문제가 있습니다.

우리의 반합성 유기체가
생존할 수 있으려면

X와 Y에게 화학적 전구체가
먹이로 공급되어야 합니다.

X와 Y는 자연에 존재하는
그 어떤 것과도 완전히 다릅니다.

세포는 그런 걸 갖고 있지도 않고
만들 능력도 없습니다.

우리가 그 유기체를 만들고
통제된 실험실 환경에서 키울 때는

인공적인 먹이를
실컷 먹일 수 있습니다.

그런데 사람이나 해변에
그 박테리아를 투입할 때는

그런 특별한 먹이를
더는 구할 수 없습니다.

그들은 잠시 동안만 성장하고,
짧은 시간만 생존할 수 있죠.

의도된 기능을 수행하기에는
충분히 긴 시간이겠지만요.

하지만 먹이가 떨어지기 시작하면

그들은 굶기 시작합니다.

굶어 죽고, 사라질 것입니다.

이제 새로운 이야기를 들려줄
생명체를 만드는 일뿐만 아니라

그 이야기를 언제 어디애서
해야 할지도 알려줄 수 있는 것이죠.

강연을 시작할 때, 저희 연구 결과를
2014년에 발표했다고 말씀드렸는데요.

반합성 유기체의 생성과
더 많은 정보를 저장하는

X와 Y, 그 DNA에 대해서 말이죠.

하지만 말씀드렸듯이 연구 동기는

X와 Y로 단백질을 만들
세포가 필요했기 때문입니다.

그래서 연구를 시작했던 것이죠.

몇 년 뒤에 저희는 X와 Y가 포함된
DNA를 가진 세포를 공개했고

RNA로 그 DNA를
복제하기도 했습니다.

그리고 작년 말에는

그 세포가 X와 Y를 이용해
단백질을 만들었음을 공개했습니다.

이제, 이 강연의 주인공을 소개합니다.

완전한 기능을 하는
최초의 반합성 유기체입니다.

(박수)

이 세포들이 초록색인 이유는
초록색의 단백질을 만들기 때문입니다.

사실 해파리에게서 얻을 수 있는
이미 잘 알려진 단백질인데요.

많은 사람들이 자연적인 형태로
사용하고 있습니다.

왜냐하면 합성된 단백질을
확인하기 쉽기 때문입니다.

하지만 이 단백질 안에는

자연계의 단백질에는 없는
새로운 아미노산이 들어있습니다.

모든 살아있는 세포들,
지금까지의 모든 세포들은

4개의 유전자 철자를 사용하여
단백질을 만들 수 있었습니다.

이 세포들은 살아서 성장하고,
6개의 철자로 단백질을 만듭니다.

이것은 새로운 형태의 생명체입니다.

반합성 형태의 생명체죠.

그럼 미래에는 어떻게 될까요?

저희는 다른 세포의 유전자 철자를
확장하는 연구를 이미 시작했습니다.

인간 세포를 포함해서 말이죠.

그리고 더 복잡한 유기체에 대한
연구를 준비하고 있습니다.

반합성 기생충 같은 것 말이죠.

끝으로 드릴 말씀은

가장 중요한 것이기도 한데요.

바로 반합성 생명체의 시대가
찾아왔다는 것입니다.

감사합니다.

(박수)

크리스 앤더슨(CA) :
정말 놀라운 일이네요.

여쭤볼 것이 있는데요.

당신의 연구 결과가
어떤 영향을 미치게 될까요/.

생명체의 가능성에 대한
우리의 상상력에 대해서요.

우주에서든지, 어디서든지요.

대부분의 생명체의 바탕에는

생명체는 DNA에서 비롯된다는
가정이 깔려 있다고 생각되는데요.

자가복제하는 분자의 확률 공간이
DNA 보다 훨씬 클 수가 있나요?

6 글자로 된 DNA라고 하더라도요.

플로이드 롬스버그(FR) :
물론, 맞는 말씀입니다.

저희 연구로 알 수 있는 것은,
제가 말씀드린대로

일종의 선입견이 있다고 생각합니다.

우리는 완벽하고,
최적의 상태라는 거죠.

신이 우리를 창조했고,
진화를 통해 완성됐다고 말이죠.

저희는 자연적인 것과 함께
작용하는 분자를 만들었습니다.

화학과 물리학의 기본 법칙을
따르는 분자를 만들었고

그것을 최적화함으로써

자연적인 분자처럼
활용할 수 있습니다.

여기에는 마법 같은 일은
일어나지 않습니다.

저는 생명체가 다양한 방식으로
진화할 거라고 생각해요.

어쩌면 다른 형태의 DNA로
우리 같은 생명체도 나올 수 있고

DNA가 없는 것도 있을 수 있겠죠.

CA: 그렇다면 생각하시기에..

그 가능성을 얼마나 넗힐 수 있을까요?
우리가 알아낼 수는 있을까요?

대부분이 DNA 분자와
비슷한 형태를 띄게 될까요?

아니면 자가 증식하는
전혀 다른 무언가가 있어서

그것이 생명체를 만들 수 있을까요?

FR: 제 의견은 이렇습니다.

만약 새로운 생명체를 찾더라도
우리는 그걸 인식하지 못할지도 모릅니다.

CA: 생명체가 살만한 행성을 찾고

행성이 최적의 위치에 있고
물이 있어야 한다는 강박관념은

아마도 매우 편협한 가정이겠군요.

FR: 의사소통이 되는 대상을
찾는 건 불가능할지도 모르죠.

하지만 어떤 생명체든 찾고 싶다면
그것도 좋은 방법이라고 봅니다.

찾기 쉬운 곳에서
찾고 있는 것이니까요.

CA: 놀라운 내용을
전해주셔서 감사합니다.

감사합니다. 플로이드 씨.

(박수)