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과학 핫이슈|베일 벗는 인간 게놈 프로젝트

‘생명의 책’ 완성으로 진시황의 꿈 이룬다

  • 김진수 (주)툴젠(Toolgen, INC) 대표이사·이학 박사

‘생명의 책’ 완성으로 진시황의 꿈 이룬다

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인간 게놈 프로젝트는 생명과학과 의학의 역사상 가장 큰 규모의 사업이면서 사람들의 삶에 가장 큰 영향을 끼칠 사업임이 분명하다. 그러나 워슨을 비롯한 미국의 분자생물학자들에 의해 게놈 프로젝트가 처음 제안됐던 80년대 후반에는 과학계 안팎에서 이 프로젝트의 효용성과 실현 가능성에 대해 논란이 일었다. 일례로 당시 ‘네이처’지에 실린 한 과학자의 기고문은 인간 게놈 프로젝트에 대해서 “셰익스피어의 작품을 몽땅 설형문자로 번역하는 것과 같다. (이 두 작업 사이에는) 유용성 측면에서는 별차이가 없다고 할지라도 실현 가능성 측면에서는 게놈 프로젝트가 훨씬 어렵다”고 하면서 게놈 프로젝트를 추진하는 과학자들을 통렬하게 비난했다.

도대체 셰익스피어 전집을 설형문자로 번역하는 것이 무슨 효용이 있겠는가? 당시 ‘네이처’에 실린 기사는 게놈 프로젝트가 가져다줄 의학 및 생명공학의 혁명적 진보에 대해 일부 전문가들마저 무지했다는 사실을 깨우쳐준다. 더욱이 게놈 프로젝트의 중요성에 동의한 젊은 과학자들 사이에서도 과연 ‘생명의 책’을 완전히 옮겨 적는다는 것이 기술적으로 가능할지에 대해서 상당한 회의가 있었다. 일부 비관적인 분자생물학자들은 인간 게놈 프로젝트의 완성에는 수백년이 소요될 것이라는, 지금 보기에는 황당하기까지 한 추정을 내놓기도 했다. 이러한 상황에 분자생물학자들 사이에 ‘살아 있는 전설’로 추앙받는 워슨의 등장은 게놈 프로젝트에 활력과 생기를 불어 넣었다.

워슨은 50년대에 크릭과 함께 그 유명한 DNA의 이중나선형 구조를 밝힌 과학자로 탁월한 비전과 통솔력을 갖춘 20세기 최고의 과학자 가운데 한 사람이다. 모든 생명체의 게놈이 DNA 형태로 존재한다는 측면에서 DNA의 이중나선 구조를 밝힌 워슨은 인간 게놈 프로젝트의 책임자로서 대단히 상징적인 의미를 지닌 존재였다.

워슨은 솔직하고 직선적인 성격으로 많은 지지자를 확보한 반면 상당수의 영향력 있는 사람들과 불편한 관계를 만들기도 했다. 예를 들어 70년대 당시 미국 대통령이었던 닉슨이 암에 대한 전쟁을 선포했을 때 워슨은 이를 ‘미친 짓’으로 일축했다. 암에 대한 전쟁이 선포된 지난 30년간 미국 정부가 그다지 승리했다고 볼 수 없는 현재 상황에 워슨의 당시 논평은 과학적으로 정당한 것이었다고 할 수 있지만, 대통령의 선언을 한마디로 모욕하는 것은 개방적인 미국 사회에서도 흔하지 않은 일이었다.

아이러니컬하게도 70년대 암에 대한 전쟁을 ‘미친 짓’으로 평가절하한 워슨이 착수한 인간 게놈 프로젝트는 암 정복에 크게 기여할 것으로 보인다. 모든 일에는 적절한 때가 있다. 때를 놓쳐서도 안 되지만 너무 서둘러서도 안 된다. 워슨은 바로 때를 잘 아는 사람이었다. 워슨의 등장으로 인간 게놈 프로젝트는 본궤도에 올랐고 많은 생물학자, 비전을 갖춘 관료, 생명공학 기업 관계자들의 적극적인 호응을 끌어내는 데 성공했다.



크레익 벤터, 독불장군 혹은 천재?

워슨이 미 국립보건연구소에서 게놈 프로젝트를 이끌고 있을 때 인접한 다른 부서에 근무하고 있던 크레익 벤터는 새로운 방법으로 많은 유전자를 발굴하는 데 성공했다. 1991년 벤터는 연구소장의 적극적인 후원하에 자신의 연구팀이 발견한 유전자들에 대해 특허를 출원하려 했다. 그러나 워슨은 기능이 제대로 확인되지 않은 유전자에 대해 특허를 출원하게 되면 과학자들간에 자유로운 정보 교환이 불가능해져서 학문 발전에 장애가 될 것을 우려해 벤터와 연구소의 방침에 크게 반발했다.

워슨은 벤터의 연구결과를 ‘원숭이도 할 수 있는 일’이라고 평가 절하하면서 특허 출원의 부당성을 강조했다. 결국 당시 연구소장과 개인적 갈등까지 빚자 워슨은 게놈 연구에서 손을 떼고 책임자직을 사직해버렸다. 학문적 자유와 개인적 신념을 지키기 위해 당국과 당당히 맞선 워슨의 행동은 과학자들에게 일생을 통해 그가 구축한 명성에 걸맞은 용감한 행동으로 비쳤다.

벤터는 이 사태 이후 워슨을 비롯한 주류 과학자들과 관계가 소원해졌고, 그가 연구비 신청을 위해서 제출하는 연구제안서는 동료 과학자들 때문에 번번이 거부되는 상황을 맞게 됐다. 워슨 못지않게 고집 세고 탁월한 비전을 갖춘 벤터는 결국 국립보건연구소를 떠나 새로운 사립 연구소를 세웠고, 그곳에서 혁혁한 성과를 이루었다.

보는 이에 따라 분자생물학계의 독불장군이라는 평가와 뚜렷한 비전을 지닌 천재 과학자라는 상반된 평가를 받는 벤터는 학창시절 심각한 문제아였다고 한다. 어려서는 학교 시험을 거부해 부모 속을 썩이는 고집쟁이였다.

고등학교를 졸업하고 빈둥대던 벤터의 삶을 근본적으로 변화시킨 계기는 월남전이었다. 해군에 징집된 벤터는 그곳에서 군의관의 눈에 띄었다. 군의관은 벤터가 천재적인 두뇌를 지니고 있다는 것을 간파하고, 제대하면 꼭 대학에 가라고 권했다. ‘타임’지 인터뷰에서 벤터는 월남에서 시간이 얼마나 귀중한 지를 깨달았다고 밝혔다. 게놈 프로젝트에 관한 한 세상은 벤터가 정한 시간에 따라 움직이고 있는데, 이는 사실 벤터가 월남전에서 체득한 경험에서 출발한 셈이다.

벤터는 의사가 되려고 명문 존스홉킨스 의대에 진학했으나 그곳에서 임상의학보다는 분자생물학에 깊은 흥미를 느꼈다. 분자생물학자들이 선망하는 국립보건연구소에 연구원으로 채용된 벤터는 뛰어난 연구실적을 올렸으나, 특허 출원을 둘러싸고 워슨을 비롯한 일부 과학자들과 갈등을 빚어 결국 그는 분자생물학의 ‘앙팡 테리블’로 불리게 됐다.

벤터의 천재성과 반골 기질은 그의 연구 방식에서도 곧잘 표출되고 있다. 벤터는 여러 차례 주류 분자생물학자들과는 다른 연구방법을 개발하여 전통 방식을 고집하는 보수적인 경쟁자들을 물리쳤다. 벤터가 국립보건연구소에 있을 때 유전자를 발굴하기 위해 사용한 방법은 기술적으로 기발하거나 탁월한 것은 아니었으나 성과 면에서는 타의 추종을 불허하는 것이었다. 워슨은 이에 대해 ‘원숭이도 할 수 있는 일’이라고 평가절하했지만, 이러한 비난은 특허 출원과 관련된 갈등을 겪으면서 다소 과장되게 표현한 해프닝이라고 볼 수 있다. 워슨은 후일, 벤터에 대한 공격이 지나친 것이었음을 인정했다.

벤터가 국립보건연구소를 떠나 게놈연구소와 셀레라에서 추진한 게놈 프로젝트 방식은 주류 분자생물학자들이 보기에는 무척 무모한 일로 여겨졌다. 국립보건연구소를 중심으로 진행된 인간 게놈 프로젝트는 주류 과학자들에 의해 논리적이고 분석적인 방법을 이용했지만 벤터는 이러한 방식이 많은 시간과 비용이 소요되는 단점이 있다고 생각해 독자적인 방법을 고안했다.

인간 게놈 해독의 두 가지 방법

네 종류의 염기가 특정한 순서로 30억번 배열되어 이루어진 인간의 게놈 정보를 A, C, G, T 네 종류의 알파벳을 30억번 배열하여 쓰인 생명의 책을 번역하는 데 가장 빠르고 효율적인 방법은 무엇일까? 얼핏 생각하기에 게놈을 구성하는 DNA의 한쪽 끝에서부터 읽기 시작하여 한 염기씩 순서대로 읽어 나가면 되지 않을까 싶지만 이러한 방법은 기술적으로 불가능하다. 왜냐하면 DNA를 분리하는 순간 게놈 전체가 수천, 수만 개의 조각으로 부서지기 때문이다. 더욱이 가장 최신의 DNA 서열 자동분석기를 사용해도 기껏해야 한 번에 1000개 정도의 염기 서열을 읽어낼 수 있을 뿐이다. 결국 게놈을 잘게 쪼개서 조각의 염기 서열을 밝혀낸 후 원래의 게놈 정보를 재구성할 수밖에 없다.

미국을 중심으로 한 다국적 인간 게놈 프로젝트 사업에서 주류 분자생물학자들이 이용하는 방식은 논리적이고 분석적인 방법이다. 이를 비유해서 설명하면 다음과 같다. 첫번째 할 일은 먼저 게놈을 부숴 이를 순서대로 나열하는 일이다. 이는 생명의 책을 장 별로 나누고 쪽 별로 나누는 것과 같다.

다음으로 실험을 통해 각각의 쪽에 해당하는 염기서열을 밝혀낸다. 각각의 쪽이 전체 생명의 책에서 어느 부분에 해당하는 지 이미 알고 있으므로 이를 규합해 생명의 책을 완성한다. 이 방법은 합리적이고 실현 가능성이 높지만 첫째 단계, 즉 생명의 책을 쪽 별로 배열하는 작업에 많은 노력과 시간이 필요하다.

반면 벤터는 이러한 첫 단계를 생략하고 무작위로 책을 찢은 후 각각의 쪽지를 서로 비교하여 전체 책을 구성하는 다소 무모한 방식을 고안했다. 벤터가 사용한 방식의 첫 단계는 동일한 책 10권을 무작위로 약 1000개 글자를 포함하는 쪽지로 잘게 찢은 후 각각의 쪽지를 읽어 내는 작업이다. 이때 동일한 책들을 무작위로 찢는 것이 매우 중요하다. 물론 실제 작업은 책을 찢는 것이 아니고 게놈을 잘게 부순 다음 조각의 염기 서열을 읽어 내는 것이다.

다음 단계는 각각의 쪽지를 서로 비교하면서 순서를 정하는 것이다. 만일 책을 한 권만 찢어 작업한다면 어느 쪽지가 어느 쪽지 다음에 오는지 전혀 알 수 없을 것이다.

그러나 동일한 책 10권을 무작위로 찢었다면 원래의 책에 두 쪽지가 연이어 있는 경우 다른 책에서 찢겨 나온 쪽지 가운데 이들 두 쪽지와 부분적으로 겹치는 것들이 있을 것이다.

예를 들어 설명해 보자. 앞 단락의 첫째 문장을 평균해서 다섯 단어씩 무작위로 찢는다고 가정하자. 매우 다양한 방법이 있겠지만 일례를 들자면 다음과 같이 찢을 수 있다. “반면 벤터는 이러한 첫 단계를 생략하고” “무작위로 책을 찢은 후 각각의” “쪽지를 서로 비교하여 전체” “책을 구성하는 다소 무모한 방식을 고안했다”

이와는 달리 다음과 같이 무작위로 찢는 것도 가능하다. “반면 벤터는 이러한 첫” “단계를 생략하고 무작위로 책을 찢은” “후 각각의 쪽지를 서로” “비교하여 전체 책을 구성하는” “다소 무모한 방식을 고안했다”

이들 9개의 쪽지를 서로 비교하면 전체 문장을 재구성할 수 있다. 예를 들어 첫 째 방식으로 찢었을 때 만들어진 다음 두 쪽지, “반면 벤터는 이러한 첫 단계를 생략하고”와 “무작위로 책을 찢은 후 각각의”가 연속되어 있는 것인지는 바로 둘째 방식으로 찢었을 때 만들어진 쪽지 “단계를 생략하고 무작위로 책을 찢은”과 비교하면 확인할 수 있다. 둘째 방식으로 찢었을 때 만들어진 쪽지에는 첫째 방식으로 찢었을 때 만들어진 쪽지들과 겹치는 부분이 있기 때문이다. 이러한 작업을 각각의 쪽지에 대해 반복하면 원래의 문장을 복구할 수 있을 것이다.

그러나 한 권의 책이 수백만 개의 쪽지로 구성돼 있고, 두 쪽지가 연이어 있는지의 여부를 판단하려면 10권의 책을 찢어 만든 수천만 개의 쪽지와 일일이 비교해야 한다는 점을 생각하면 이 작업이 얼마나 무모한 방법인지 짐작할 수 있을 것이다. 주류 과학자들은 한 문장이나 한 쪽에 대해서는 이 방법을 적용할 수 있겠지만 생명의 책 전체에 적용하기에는 너무 ‘무식한’ 방법이라고 생각했다. 그래서 연방정부의 연구비를 지원받으려는 벤터의 제안은 주류 과학자들로 구성된 보수적인 심사위원회에서 번번이 거부됐던 것이다.

더욱이 특허 출원을 둘러싸고 주류 과학자들과 빚은 갈등은 벤터를 더욱 외톨이로 만들었다. 그러나 벤터는 이 방법이 주류 분자생물학자들이 진행하고 있는 30억 달러짜리 프로젝트에 비해서 훨씬 저렴한 비용으로 훨씬 빨리 생명의 책을 완성할 수 있는 방법이라는 확신을 갖고 있었다. 그 이유는 벤터가 DNA 서열 자동분석기와 슈퍼컴퓨터의 뛰어난 기능을 누구보다 잘 이해하고 있었기 때문이었다.

벤터 방식의 특징은 각각의 쪽지를 읽어 내고 이들을 서로 비교하는 단조로운 작업을 거의 무한히 반복해야 한다는 데 있다. 벤터는 이런 작업에는 기계가 최고임을 잘 알고 있었다. 결국 벤터는 올 상반기에 작업을 완료함으로써 미국의 국립보건연구소를 중심으로 진행되고 있는 다국적 인간 게놈 프로젝트보다 3년이나 빨리 생명의 책을 완성할 것으로 기대하고 있다. 작년 ‘타임’지 인터뷰에서 벤터는 “(워슨과 자기 둘 중에) 누가 바보인지 곧 분명해질 것”이라고 밝혀 자신감을 보였다.

다윗이 골리앗에 맞설 수 있는 이유

미국을 중심으로 한 다국적 사업과 벤터가 이끄는 일개 민간 기업인 셀레라의 한판 승부에서 누가 이길 것인가? 애초부터 승부가 될 수 없다는 전망을 뒤엎고 셀레라가 승자가 될 것이라는 예상이 금년 초까지만 해도 대세를 이루었다. 그러나 빌 클린턴 미국 대통령의 최근 발표는 다국적 프로젝트가 재역전을 시도, 마지막까지 승부를 예측하기가 쉽지 않음을 보여 주고 있다.

유전자에 대한 특허 개념이 미미한 우리 나라로서는 대부분 인간 유전자에 대한 특허가 외국 민간기업 소유가 되는 것보다는 다국적 프로젝트가 한 발 앞서 인간 게놈 사업을 완료함으로써 그 정보를 공유하게 되는 것이 바람직하다. 그러나 현 상황을 보면 다국적 프로젝트가 승리하더라도 결국 각각의 유전자들에 대해서 외국의 제약회사, 생명공학회사, 선진국 정부 등이 별도로 특허를 출원할 가능성이 매우 높다. 즉 다국적 프로젝트의 성과로 인간 게놈 정보가 인터넷상에 공개되면 셀레라가 이를 총체적으로 특허 출원하는 것은 봉쇄할 수 있지만 각각의 유전자 기능과 유용성을 밝혀서 따로따로 특허를 출원하는 것은 피할 수 없다. 다시 말해 유전자를 확보하기 위한 진정한 싸움을 지금부터 시작이라고 해도 과언이 아니다.

벤처 기업에 불과한 셀레라가 선진국 정부들의 적극적인 지원을 받는 다국적 인간 게놈 프로젝트 사업단에 당당히 맞서 한 판 승부를 벌일 수 있다는 사실을 어떻게 받아들여야 하나? 이는 생명공학 산업에서 개인의 창의성과 도전정신이 막대한 조직과 자금보다 더 결정적인 요인으로 작용할 수 있다는 사실을 말해주는 좋은 예라고 할 수 있다.

벤처 기업은 소수의 창의적인 과학자, 기술자들과 비전을 갖춘 경영인을 중심으로 엔젤 투자자와 벤처 캐피털이 의기 투합하여 시작되는 것이 보편적이다. 벤처 기업의 장점은 덩치가 큰 대규모 다국적 회사 또는 국가 연구기관과는 달리 의사결정 과정이 빠르고 개인의 창의성과 주도권을 전적으로 존중한다는 점에 있다. 또한 기업을 구성하는 경영진, 기술진 모두가 회사의 성장을 통해 자아를 성취할 수 있다는 사실이 이들에게 적극적인 동기를 부여하고 있어 벤처기업 성공에 주요 기반이 되고 있다.

생명공학 산업을 21세기 전략산업으로 육성하려는 우리 나라에서도 미국 바이오벤처 기업들의 성공은 좋은 교훈이 된다. 아울러 벤처 열기가 뜨거운 한국의 경제상황은 생명공학 시대를 이끌 미래의 생명공학 기업들이 성장할 수 있는 좋은 토양이 되고 있다. 다만 생명공학 산업이 이제 태동 단계이므로, 신생 바이오벤처 회사들이 성장하는 데 필요한 인프라가 매우 열악하다는 사실이 걸림돌인데 이에 대해 정부의 적극적인 지원과 지속적인 관심이 필요하다.

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