합성생물학
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1. 개요
합성생물학은 DNA를 읽고 인공적으로 합성하는 기술을 바탕으로, 유전자 재조합 기술과 유전공학의 발전에 힘입어 발전해 온 학문 분야이다. 1665년 현미경으로 세포를 발견한 것을 시작으로, DNA 이중나선 구조 규명, 유전자 재조합 기술 개발 등을 거쳐 2000년대에 합성생물학이라는 용어가 등장하며 본격적인 연구가 시작되었다. 합성생물학은 탑다운, 바텀업 방식의 연구 방법을 통해 에너지, 의약품, 바이오 센서, 생물학적 컴퓨터 등 다양한 분야에 응용되고 있다. 하지만 생물 안전, 생물 보안, 생명 윤리 측면에서 다양한 논란과 위험성을 내포하고 있으며, 이에 대한 해결 노력이 다각도로 이루어지고 있다.
합성생물학의 역사는 세포, DNA, 유전자 재조합 기술, DNA 염기서열 분석 기술의 발견 및 발전과 밀접하게 연관되어 있다.
2. 역사
1978년 베르너 아르버, 다니엘 나단스, 해밀턴 O. 스미스는 제한 효소의 발견으로 노벨 생리학·의학상을 수상했으며[10], 과학 잡지 ''Gene''의 편집자 바츨라프 시발스키(Wacław Szybalski)는 "이 제한 효소 연구는 개별 유전자를 분석하기 위해 유전자 재조합 기술을 가능하게 했을 뿐만 아니라, 기존의 유전자뿐만 아니라 새롭게 배열된 유전자마저 제작하고 평가할 수 있는, 합성 생물학의 새로운 시대로 우리를 이끌었다."라고 언급했다.[220]
스테판 르두크는 1910년 출판물 ''생명과 자연 발생에 대한 물리화학적 이론''(Théorie physico-chimique de la vie et générations spontanées)에서 "합성 생물학"이라는 용어를 처음 사용했고[5], 1912년 ''합성 생물학''(La Biologie Synthétique)에서도 이 용어를 언급했다.[6]
2000년 미국화학회에서 에릭 쿨(Eric Kool) 박사 등은 합성을 통해 만들어낸 비자연적, 인공적인 유기 물질이 생체 내에서 제대로 기능하도록 하는 연구를 합성생물학 분야로 정의했다. 2003년 미국 매사추세츠공과대학(MIT)에서 열린 합성생물학대회에서는 죽으면 바나나 향이 나는 세균과 오염물질 냄새를 맡아 경보시스템을 작동시키는 박테리아 등 합성 유전자를 사용한 새로운 미생물들을 선보였다. 2004년에는 MIT에서 국제학술대회 ‘합성생물학 1.0(Synthetic Biology 1.0)’이 개최되었다.[226] 이후 2006년 미국 UC 버클리에서 ‘합성생물학 2.0’, 2007년 스위스 취리히에서 ‘합성생물학 3.0’, 2008년 홍콩에서 ‘합성생물학 4.0’이 개최되었다.
2007년 하버드 의대 연구자들은 유전공학 기술을 통해 효모세포에서 DNA를 기초로 한 기억 회로(memory loop)를 합성하여 학술지 ‘Genes and Development’에 발표했다. 2010년 크레이그 벤터(J. Craig Venter) 박사 연구팀은 마이코플라즈마 마이코이즈(Mycoplasma mycoides) 박테리아 유전자 전체를 인공합성한 후, 마이코플라스마 카프리콜룸(Mycoplasma capricolum) 박테리아에 주입하는데 성공했다. 사이언스지는 크레이그 벤터 박사 연구그룹이 화학합성 유전체에 의해 조절되는 인공 세포를 창조했다고 소개했고, 네이처지는 벤터 박사의 합성세포에 대한 전문가 의견을 실어 합성생물학이 세계적으로 주목받는 계기를 마련했다.
MIT가 주관하는 iGEM(international Genetically Engineered Machine competition)대회도 해를 거듭할수록 국제적 관심이 증폭되어 참가인원이 늘고 있다.
2. 1. 주요 발견 및 발전
합성생물학은 DNA를 인공적으로 합성하는 유전자 재조합기술에서 시작되었고, 21세기를 맞아 유전공학의 급속한 발전과 유전자 조절 시스템 발명의 영향으로 그 영역이 더욱 확장되고 있다.
| 연도 | 역사적 사건 |
|---|---|
| 1665년 | 로버트 훅이 발명한 현미경으로 코르크에서 세포 발견 |
| 1889년 | 요한 미셔가 세포핵에서 DNA 발견 |
| 1944년 | 오즈월드 에이버리와 동료 과학자들이 DNA가 유전 물질임을 실험적으로 증명[7] |
| 1953년 | 제임스 듀이 왓슨과 프랜시스 크릭은 DNA의 이중나선 모델을 규명[8] |
| 1970년대 | 제한 효소와 연결 효소(Ligase)가 발견되어 유전자 재조합 기술이 발명 |
| 1975년 | 프레더릭 생어에 의해 DNA 염기서열을 읽어낼 수 있는 기술이 개발 |
| 1978년 | 스지발스키와 스칼카가 합성된 DNA 분자를 기존의 유전자 배열 속에 끼워 넣는 사건을 계기로 합성생물학시대가 시작 |
| 1984년 | 캐리 뱅크스 멀리스에 의해 PCR 법이 개발 |
| 1980년대 | 실리콘밸리에서 DNA 자동합성기와 DNA 자동염기서열결정장비가 개발[225] |
| 2000년 | 인간게놈프로젝트(HGP; human genome project)가 완성[225] |
| 2009년 | 각종 미생물, 동식물 1100여 종의 전체 유전자가 밝혀짐[225] |
| 1910년 | 스테판 르두크의 출판물에서 "합성 생물학"이라는 용어가 처음으로 확인되어 사용[5] |
| 1961년 | 자콥과 모노는 대장균의 lac 오페론 연구를 통해 분자 네트워크에 의한 세포 조절을 가정하고, 분자 구성 요소로부터 새로운 시스템을 조립할 수 있는 능력을 제시[8] |
| 1973년 | 플라스미드 내에서 DNA의 첫 번째 분자 복제 및 증폭이 코헨, 보이어 등에 의해 발표되었으며, 이는 합성 생물학의 시작을 알림[9] |
| 1978년 | 베르너 아르버, 다니엘 나단스, 해밀턴 O. 스미스는 제한 효소의 발견으로 노벨 생리학·의학상을 수상[10], 제한 효소 연구는 개별 유전자를 분석하기 위해 유전자 재조합 기술을 가능하게 했을 뿐만 아니라, 기존의 유전자뿐만 아니라 새롭게 배열된 유전자마저 제작하고 평가할 수 있는, 합성 생물학의 새로운 시대로 이끌었다.[220] |
| 1988년 | 열 안정성 DNA 중합 효소를 사용하여 중합 효소 연쇄 반응(PCR)에 의한 첫 번째 DNA 증폭[11] |
| 2000년 | 네이처에 실린 두 편의 논문은 대장균 세포 내에서 유전자를 결합하여 유전자 토글 스위치와 생물학적 시계와 같은 합성 생물학적 회로를 보고[12][13] |
| 2003년 | 가장 널리 사용되는 표준화된 DNA 부품인 BioBrick 플라스미드가 톰 나이트에 의해 발명[14] |
| 2003년 | 연구자들은 대장균에서 아르테미시닌 전구체 경로를 설계[15] |
| 2004년 | 합성 생물학에 대한 첫 번째 국제 컨퍼런스인 Synthetic Biology 1.0 (SB1.0)이 MIT에서 개최 |
| 2005년 | 연구자들은 대장균에서 빛 감지 회로를 개발[16] 또 다른 그룹은 다세포 패턴 형성이 가능한 회로를 설계[17] |
| 2006년 | 연구자들은 종양 세포의 박테리아 침입을 촉진하는 합성 회로를 설계[18] |
| 2010년 | 연구자들은 사이언스에 최초의 합성 박테리아 게놈인 M. 마이코이데스 JCVI-syn1.0을 발표[141][19] |
| 2011년 | 기능성 합성 염색체 팔이 효모에서 설계[20] |
| 2012년 | 엠마뉘엘 샤르팡티에와 제니퍼 다우드나 연구실은 CRISPR-Cas9 박테리아 면역을 프로그래밍하여 DNA 절단을 표적으로 하는 연구 결과를 사이언스에 발표[21] |
| 2019년 | ETH 취리히의 과학자들은 컴퓨터로 완전히 만들어진 최초의 박테리아 게놈인 Caulobacter ethensis-2.0의 생성을 보고했지만, C. ethensis-2.0의 생존력 있는 형태는 아직 존재하지 않는다.[22][23] |
| 2019년 | 연구자들은 박테리아 게놈 내 64개의 코돈 중 자연 발생 개수를 59개로 줄여 20개의 아미노산을 암호화함으로써, 세균 대장균의 변종인 새로운 합성 생명체의 생존력 있는 형태를 생산했다고 보고[24][25] |
| 2020년 | 과학자들은 개구리 세포에서 파생되고 AI에 의해 설계된 프로그래밍 가능한 합성 유기체인 최초의 제노봇을 만듬[26] |
| 2021년 | 과학자들은 제노봇이 환경에서 흩어진 세포를 모아 새로운 제노봇을 형성함으로써 자기 복제를 할 수 있다고 보고[27] |
2000년 미국화학회에서 에릭 쿨 박사 등에 의해 합성생물학이라는 용어가 처음 사용되었다. 2003년 미국 매사추세츠공과대학에서 열린 합성생물학대회에서 합성한 유전자를 사용한 새로운 미생물들을 선보였다. 2004년 같은 곳에서 국제학술대회 ‘합성생물학 1.0(Synthetic Biology 1.0)’이 개최된다.[226] 2007년 9월 하버드 의대 연구자들은 효모세포에서 DNA를 기초로 한 기억 회로(memory loop)를 합성했다. 2010년 5월, 크레이그 벤터(J. Craig Venter)박사의 연구팀은 마이코플라즈마 마이코이즈라는 박테리아 유전자 전체를 인공합성한 후, 마이코플라스마 카프리콜룸 박테리아에 주입하는데 성공한다. 미국의 사이언스지는 크레이그 벤터 박사의 연구그룹이 화학합성 유전체에 의해 조절되는 인공 세포를 창조했다고 소개한다. MIT가 주관하는 iGEM(international Genetically Engineered Machine competition)대회도 해를 거듭할수록 국제적 관심이 증폭되어 참가인원이 늘고 있다.
최근 지구온난화와 화석자원의 고갈로 바이오 에너지 및 바이오 정제에 대한 관심이 높아지면서 합성생물학에 대한 관심도 더욱 높아지고 있다. 온난화 문제를 합성생물학이 완화시킬 수 있는지를 미국의 에너지국과 환경청은 모색 중이다.[230]
2. 2. 합성생물학 용어 등장 및 학문적 발전
2000년 샌프란시스코에서 열린 미국화학회에서 에릭 쿨(Eric Kool) 박사 등이 '합성생물학'이라는 용어를 처음 사용했다. 이들은 인공적으로 합성한 유기 물질이 생체 내에서 제대로 기능하도록 하는 연구를 합성생물학 분야로 정의했다.[226] 1910년 스테판 르두크의 출판물 ''생명과 자연 발생에 대한 물리화학적 이론''(Théorie physico-chimique de la vie et générations spontanées)에서 "합성 생물학"이라는 용어가 처음으로 확인되어 사용되었다.[5] 그는 1912년 다른 출판물인 ''합성 생물학''(La Biologie Synthétique)에서도 이 용어를 언급했다.[6]2003년 미국 매사추세츠공과대학(MIT)에서 열린 합성생물학대회에서는 합성 유전자를 사용한 새로운 미생물들이 소개되었다. 예를 들어, 죽으면 바나나 향이 나는 세균과 오염물질 냄새를 맡아 경보를 울리는 박테리아 등이 있었다. 2004년에는 MIT에서 첫 국제학술대회인 '합성생물학 1.0'이 개최되었다.[226] 이후 2006년에는 미국 UC 버클리에서 '합성생물학 2.0', 2007년에는 스위스 취리히에서 '합성생물학 3.0', 2008년에는 홍콩에서 '합성생물학 4.0'이 개최되었다.
2007년 하버드 의대 연구자들은 효모세포에서 DNA 기반 기억 회로를 합성하는 데 성공했다. 2010년 크레이그 벤터 박사 연구팀은 마이코플라즈마 마이코이즈 박테리아 유전자 전체를 인공 합성하여 마이코플라스마 카프리콜룸 박테리아에 주입하는 데 성공했다. 이는 사이언스지에 '화학 합성 유전체로 조절되는 인공 세포 창조'로 소개되었고, 네이처지는 벤터 박사의 합성세포에 대한 전문가 의견을 게재하여 합성생물학이 세계적으로 주목받는 계기가 되었다.
MIT가 주관하는 국제 유전자 변형 기계 경진대회(iGEM)도 국제적 관심을 받으며 참가 인원이 늘고 있다.
제한 효소의 발견과 분자 생물학에의 응용은 합성생물학의 발전에 큰 영향을 미쳤다. 1978년 다니엘 네이선스, 해밀턴 스미스, 베르너 아르버는 제한 효소 발견으로 노벨 생리학·의학상을 수상했다. 과학 잡지 ''Gene''의 편집자 바츨라프 시발스키(Wacław Szybalski)는 "제한 효소 연구는 유전자 재조합 기술을 가능하게 하여 개별 유전자를 분석할 수 있게 했을 뿐만 아니라, 기존의 유전자뿐만 아니라 새롭게 배열된 유전자마저 제작하고 평가할 수 있는 합성 생물학의 새로운 시대로 이끌었다."라고 언급했다.[220]
3. 연구 방법
합성생물학의 연구 방법은 크게 탑다운(Top-down) 방식과 바텀업(Bottom-up) 방식으로 나뉜다. 탑다운 방식은 이미 존재하는 생명체의 유전자를 변형하는 방식이다. 예를 들어, 미생물의 유전자 일부를 바꾸는 것이다. 드루 앤디(Drew Endy)와 제이 키슬링(Jay Keasling)의 연구가 대표적이다. 바텀업 방식은 화학 물질에서 시작해 생명체의 구성 요소를 하나하나 만들어가는 방식이다. 크레이그 벤터(J.Craig Venter)의 인공 유전체 합성 연구가 이에 해당한다.[227]
합성 유전체학은 화학적으로 제조된 (최소) 유전체를 가진 동물을 형성하는 것을 강조한다. DNA 합성 기술의 발전에 힘입어 수천 개의 염기쌍을 가진 DNA 분자를 비교적 저렴한 비용으로 생산할 수 있게 되었다. 목표는 이러한 분자를 완전한 유전체로 결합하여 살아있는 세포에 이식하고, 숙주 세포의 유전체를 대체하여 대사 과정을 재프로그래밍하여 다른 기능을 수행하도록 하는 것이다.[37]
과학자들은 여러 바이러스의 유전체를 합성하여 감염성 바이러스를 생성함으로써 이 접근 방식의 가능성을 입증했다. 그러나 이러한 발전은 관련 위험에 대한 대중의 우려를 불러일으키기도 했다.[37]
단순한 유전체는 특정 작업을 위해 생성된 유전자 삽입을 통해 빠르게 확대될 수 있는 "섀시 유전체"로도 작동할 수 있다. 이러한 "섀시 생물"은 새로운 기능 삽입에 더 적합한데, 야생 유기체보다 잠재적으로 새로운 기능과 충돌할 수 있는 생물학적 경로가 더 적고 특정 삽입 부위도 있기 때문이다.[37]
시스템을 조립하고 실제로 기능하는지 조사하는 연구도 진행되고 있다. 2000년에 제임스 J. 콜린스(James J. Collins)는 "Latch(래치)"라는 합성 유전자 회로를 개발했다. 2개의 유전자로 구성된 전사 제어 유전자로부터 네트워크를 구축하여, 각 유전자는 자신이 코딩하는 단백질을 거쳐 다른 유전자의 전사를 제어한다. 같은 해, 마이클 에로위츠(Michael Elowitz)와 Stanislas Leibler는 "Repressilator(리프레실레이터)"라는 합성 유전자 회로를 대장균의 유전자에 삽입하여, 살아있는 세포 내에서 유전자가 어떻게 유전자 발현하는지를 모델화했다.
이러한 연구에서는 모델을 제작하고 실험 결과를 예측하기 위해 그래프 이론, 부울 네트워크, 상미분 방정식, 확률 미분 방정식, 마스터 방정식 등 다양한 수학적 기법이 사용된다.
3. 1. 탑다운 (Top-down) 방식
드루 앤디(Drew Endy)는 생명체를 DNA 정보를 지닌 유전자 회로로 구성된 일종의 컴퓨터 또는 기계로 보았다. 그는 DNA를 조작하여 가상 생명체를 만들고, 이를 실제 생명체에 적용하여 다양한 가능성을 제시했다. 앤디는 유전체 변형 과정을 DNA, 부품(Parts), 설비(Device), 시스템(Systems)의 4단계로 나누었다. 여기서 DNA는 유전물질, 부품은 DNA결합단백질과 같이 기본적인 생물학적 기능을 수행하는 단위, 설비는 인간이 원하는 기능을 수행하도록 부품을 조합한 장치, 시스템은 다양한 설비의 조합을 의미한다. 앤디는 설비와 시스템 수준에서 작동 환경을 구현하여 독립적인 기능을 수행하는 표준 부품을 만들고, 이를 바이오브릭(Biobricks)이라 불렀다. 앤디가 설립한 바이오브릭재단(BioBricks Foundation) 홈페이지에는 1500개 이상의 바이오브릭이 등록되어 무료로 사용 가능하다. 연구자들은 바이오브릭을 조합하여 컴퓨터 시뮬레이션 후, 이를 대장균이나 효모 등에 직접 넣어 결과를 확인할 수 있다. 2005년 앤디는 코돈 디바이스라는 회사를 설립하여, 생명체 설계에 필요한 기본 부품을 제조하는 바이오팹(biofab)을 지향하고 있다.[227]3. 2. 바텀업 (Bottom-up) 방식
화학 물질에서 시작해 생명체의 구성 요소를 하나하나 만들어내는 방식이다. '무에서 유를 창조한다'는 의미로 'Starting from scratch(처음에서 시작한다)'라는 표현이 사용되기도 한다. 크레이그 벤터(J. Craig Venter)는 미생물 유전자 염기서열을 하나하나 만든 후 연결하여 인공 유전체를 합성하는 방식으로 이 분야의 대표적인 연구 사례를 제시했다.[227]2010년 5월, 크레이그 벤터 연구소는 최초로 인공세포 합성에 성공하여 합성생물학 발전에 크게 기여했다. 연구팀은 15년간 축적된 기술을 활용하여 다음과 같은 단계를 거쳤다.[228]
| 단계 | 설명 |
|---|---|
| 1 | 미코플라스마 미코이데스(Mycoplasma mycoides)의 자연 DNA를 다른 종인 미코플라스마 카프리콜룸(M. capricolum) 세포에 이식하는 기술 확립 |
| 2 | 인공 합성한 미코플라스마 게니탈리움(M. genitalium) 유전체를 효모 세포에 복제하는 기술 확보 |
| 3 | 자연 상태의 M. 미코이데스 유전체를 모방한 합성 게놈 제작 |
| 4 | 세포 거부반응 제어하며 M. 카프리콜룸 세포에 합성 게놈 이식, 합성 게놈 작동 확인 |
연구팀은 2007년 미생물 유전체 분리 및 종 변환 성공, 2008년 미코플라스마 제니틸리움 유전체 인공 합성 성공을 발표했다. 인공 합성된 M. 미코이데스 게놈은 108만 염기쌍으로 구성되었으며, 자기 복제 및 번식 등 생명체 기능을 수행했다. 연구팀은 합성 게놈에 메틸기를 붙여 거부반응을 줄이고, 워터마크를 삽입하여 인공 합성물임을 표시했다.[228]
다음은 합성세포 탄생까지의 주요 연구 배경이다.[229]
| 연도 | 연구 내용 |
|---|---|
| 1995년 | 크레이그 벤터 박사팀, 가장 작은 게놈 크기를 가진 M.제니탈리움 게놈(약 58만 염기) 해독 |
| 1999년 | 벤터 박사팀, M.제니탈리움의 100여 개 유전자가 없어도 생존 가능함을 확인, 추가 연구 보류 |
| 2002년 | 엑카드 웜머 교수팀, 소아마비바이러스 게놈과 상보적인 DNA 가닥 합성 성공 |
| 2007년 | 크레이그벤터연구소, M.마이코이데스 게놈을 M.카프리콜룸 세포에 이식 성공 |
| 2008년 | 크레이그벤터연구소, M.제니탈리움 게놈 합성 성공, 합성세포 획득 실패 |
| 2010년 | 크레이그벤터연구소, M.마이코이데스 게놈 합성 및 M.카프리콜룸 세포 이식, 합성세포 획득 성공 |
3. 3. 크레이그 벤터 연구소의 합성세포 연구
2010년 5월, 크레이그 벤터 연구소는 세계 최초로 인공세포 합성에 성공하여 합성생물학 발전에 큰 영향을 주었다. 이 연구는 지난 15년간 축적된 요소 기술들을 결합하여 이루어졌다. 연구팀은 미코플라스마 미코이데스(Mycoplasma mycoides) 박테리아의 DNA를 다른 종인 미코플라스마 카프리콜룸(M. capricolum) 세포에 이식하는 기술과, 인공 합성한 미코플라스마 게니탈리움(M. genitalium) 유전체를 효모 세포에 복제하는 기술을 이미 확보하고 있었다.이후, 연구팀은 자연 상태의 M. 미코이데스 유전체를 모방한 합성 게놈을 만들고, 세포 거부반응을 제어하면서 M. 카프리콜룸 세포에 이식하여 '합성 게놈'이 정상 작동하는 것을 확인했다. 2007년에는 미생물 유전체 분리 및 이식을 통한 '종 변환' 성공을, 2008년에는 미코플라스마 제니틸리움 유전체 인공 합성에 성공했음을 발표했다.[228]
합성 게놈은 총 108만 염기쌍으로 구성되었으며, 자기복제 및 번식 등 생명체 기능을 제대로 수행했다. 연구팀은 합성 게놈 DNA에 메틸기를 붙여 거부반응을 줄이고, 카프리콜룸 박테리아의 이식 방해 기능을 제거했다. 또한, 합성 게놈에 워터마크를 삽입하여 벤터 연구소의 성과임을 표시했다.[228]
크레이그 벤터 연구소의 합성세포 연구 연혁은 다음과 같다.[229]
4. 응용 분야
합성생물학은 에너지, 석유 대체 물질, 고부가가치 대사산물 생산, 새로운 바이오 시스템, 인공생명체 설계 등 다양한 분야에 응용될 수 있다.
- 생물 정화: 미생물을 활용하여 물, 토양, 공기 중의 오염 물질을 제거한다.
- 식물에서 추출하지만 충분한 양으로는 얻을 수 없는 복잡한 천연 제품을 생산한다. 예를 들어 아르테미시닌 및 파클리탁셀과 같은 천연 기원의 약물이 있다.
- 비타민 A 결핍을 예방하는 당근과 관련된 물질인 베타카로틴은 유전자 변형된 쌀에 의해 생성된다. 매년 25만에서 50만 명의 어린이가 비타민 A 결핍으로 시력을 잃고 있으며, 이는 감염성 질환으로 사망할 확률도 상당히 높인다.
- 조향사가 값비싼 냄새를 만들기 위해 사용하는 신선한 장미의 지속 가능하고 환경 친화적인 대안으로 장미 오일을 생산하도록 효모가 만들어졌다.[81]
생체감지기(:en:Biosensor)는 중금속이나 독소의 존재 등의 주위의 현상을 감지, 보고할 수 있도록 설계된 유기체를 의미하며, 보통 박테리아로 만들어진다. 이러한 체계 중 하나는 박테리아의 생물발광을 일으키는 효소를 만들어내도록 설계된 ''Aliivibrio fischeri''(:en:Aliivibrio fischeri)의 럭스 오페론이며,[240] 특정한 환경 자극에 반응하여 발광 유전자를 활성화하기 위해 응답촉진유전자(respondent promoter) 다음에 배치할 수 있다.[241] 이러한 센서 중 하나는 감광성 컴퓨터 칩에 오염물질을 탐지하면 발광하는 발광박테리아(:en:Bioluminescent bacteria)를 코팅하여 석유 오염물질(:en:Pollutant)을 탐지한다.[242] 비슷한 기제의 다른 예시로는 TNT와 그 주요 분해 산물 DNT를 탐지하여 녹색 형광 단백질(GFP)을 생산하도록 조작된 대장균 reporter strain을 통한 지뢰 탐지 방식이 있다.[243]
변형된 유기체는 환경 신호를 감지하고 감지 및 진단 목적으로 사용될 수 있는 출력 신호를 보낼 수 있다. 미생물 집단이 사용되었다.[86] 바이오센서는 또한 SARS-CoV-2와 같은 병원성 시그니처를 감지하는 데 사용될 수 있으며, 웨어러블이 될 수 있다.[87][88]
다양하고 일시적인 환경 요인을 감지하고 반응하기 위해 세포는 전사에서 번역 후 수준에 이르기까지 광범위한 조절 회로를 개발했다. 이러한 회로는 신호를 필터링하고 생물학적 반응을 활성화하는 변환기 모듈과 분석물을 부착하고 신호 감지 임계값을 조절하는 신중하게 설계된 민감한 섹션으로 구성된다. 모듈성과 선택성은 두 개의 기본적인 감지 모듈의 섬세한 균형을 달성하기 위해 전사, 번역 및 번역 후 수준에서 바이오센서 회로에 프로그래밍된다.[89]
모든 합성 영양 제품이 동물성 식품은 아니다. 예를 들어, 2021년 현재, 상업화에 근접했다고 보고된 합성 커피 제품도 있다.[92][93][94] 합성 생물학을 기반으로 식품 및 음료 생산에 사용할 수 있는 유사한 연구 및 생산 분야는 다음과 같다.
광합성 미생물 세포는 거미줄의 생합성 생산 단계로 사용되어 왔다.[99][100]
치료 분야에서 합성 생물학은 비교적 짧은 기간 안에 치료 범위의 변경 및 단순화에 상당한 발전을 이루었다. 실제로, 질병 메커니즘 및 약물 표적 발견에서부터 저분자 물질의 제조 및 운송에 이르기까지 새로운 치료 플랫폼이 생물학적 구성 요소의 논리적이고 모델 기반 설계 구축으로 가능해졌다.[59]
합성 생물학 장치는 치료법으로 작용하도록 설계되었다. 특정 병원체 및 질병 경로를 표적으로 삼기 위해 완전히 생성된 바이러스와 유기체를 제어하는 것이 가능하다. 따라서 연구자들은 유전자 변형된 박테리오파지를 사용하여 항생제 내성 박테리아에 대항했다. 이는 박테리아의 항생제 활성에 대한 방어를 특별히 표적으로 삼고 방해하는 유전적 특징을 부여함으로써 이루어졌다.[150]
암 치료에서 기존 의약품은 종종 종양과 정상 조직을 무차별적으로 표적으로 삼기 때문에, 병리학적 신호에 대한 치료 작용을 식별하고 연결할 수 있는 인공적으로 생성된 바이러스와 유기체가 도움이 될 수 있다. 예를 들어, 인간 세포 내의 p53 경로 활성은 아데노바이러스에 삽입되어 복제 방식을 제어했다.[150]
유전자 조작 효모 기반 플랫폼합성 생물학자들은 치료용 생물학적 의약품을 전달할 수 있는 유전자 변형된 생 효모를 개발하고 있다. 경구 투여 시, 이들 생 효모는 미세 공장처럼 작용하여 위장관에서 직접 치료 분자를 만든다. 효모는 진핵생물이기 때문에, 주요 이점은 항생제와 함께 투여할 수 있다는 것이다. 인간 P2Y2 퓨린성 수용체를 발현하는 프로바이오틱 효모는 염증성 장 질환의 마우스 모델에서 장 염증을 억제했다.[157] ''클로스트리디오이데스 디피실레''의 독소 A 및 독소 B를 강력하게 중화하는 4중 특이적 항독소를 전달하는 생 S. 보울라르디 효모가 개발되었다. 이 치료용 항독소는 전임상 모델에서 C. difficile의 두 가지 주요 독성 인자를 감염 부위에서 강력하고 광범위하게 중화하는 4개의 단일 도메인 항체(나노바디)의 융합체이다.[158] 클로스트리디오이데스 디피실레 감염 치료를 위한 유전자 조작 생 효모의 첫 번째 인체 임상 시험은 2024년에 시작될 예정이며, 개발자인 [https://www.fzata.com Fzata, Inc]가 후원할 예정이다.
인간의 재생을 유도하기 위한 합성 생물학 기반 방법에 대한 연구 개발이 진행 중이며, 인공 장기의 이식 가능성을 연구하고 있다. 뇌-컴퓨터 인터페이스 및 나노의학, 정밀 의학도 참고할 수 있다.
합성 생물학은 나노생명공학을 사용하여 약물 전달 플랫폼뿐만 아니라 다른 목적으로도 사용될 수 있는 나노 입자를 만들 수 있다.[166] 보완 연구 개발은 생물학적 세포의 기능을 모방하는 인공 세포를 만들고 있다. 응용 분야에는 심장 마비를 일으키는 죽상경화증의 일부를 혈액 세포가 내부에서부터 제거하도록 하는 나노의학의 나노입자와 같은 의학이 포함된다.[167][168][169] 예를 들어, 조류 세포 또는 시너지 조류-세균 다세포 구형체 미생물 반응기를 위한 합성 마이크로 방울은 수소를 수소 경제 생명 공학으로 생산하는 데 사용할 수 있다.[170][171]
설계된 포유류 세포는 특정 질병에 대항하도록 설계된 합성 수용체를 발현하는 면역 세포와 같이 특정 방식으로 작동하도록 인간에 의해 조작된다.[172][173] 전기유전학은 전기장을 사용하여 조작된 세포에서 반응을 자극하는 합성 생물학의 응용 분야이다.[174] 설계된 세포 제어는 스마트폰과 같은 일반적인 전자 장치를 사용하여 비교적 쉽게 수행할 수 있다. 또한 전기유전학은 미세 전극을 사용하여 다른 자극을 사용하는 장치보다 훨씬 작고 소형화된 장치를 만들 수 있는 가능성을 열어준다.[174] 전기유전학이 공중 보건에 도움이 되는 한 가지 예는 치료제를 생성/전달할 수 있는 설계된 세포를 자극하는 것이다.[175] 이는 전압 개폐 칼슘 채널을 포함하는 ElectroHEK 세포, 즉 이온 채널이 전극과 ElectroHEK 세포 간의 전기 전도에 의해 제어될 수 있음을 의미하는 전기 민감성 세포에서 구현되었다.[174] 이러한 ElectroHEK 세포가 포함하는 인공 유전자의 발현 수준은 전압 또는 전기 펄스 길이를 변경하여 제어할 수 있는 것으로 나타났다. 추가 연구를 통해 이 강력한 시스템을 확장했으며, 그중 하나는 전기 신호에 따라 인슐린 방출을 제어하도록 설계된 베타 세포주 시스템이다.[176]
생명 시스템을 자유자재로 디자인하고 조립하여 정보 처리, 화학 물질의 조작, 유용 물질의 생산, 에너지 및 식량 생산, 건강 및 지구 환경 유지 등에 활용하려는 생명공학 연구가 활발히 진행되고 있다. 합성 생물학이 기존의 유전자 재조합 기술과 다른 점은, 보다 신뢰성을 높이기 위해 기본적인 기술 확립에 중점을 둔다는 것이다. 새로운 시도의 예로 팀 가드너(Tim Gardner)와 제임스 J. 콜린스(James J. Collins) 등에 의한 유전자 온-오프 스위치(engineered genetic toggle switch), 표준 생물학적 부품 등록소(Registry of Standard Biological Parts), iGEM 등이 있다.
4. 1. 생물정제 (Refinery)
Biorefinery영어는 바이오매스를 처리하여 순수 물질을 추출하고 다양한 용도로 사용될 수 있는 물질을 생산하는 시설로, 석유 정제와 유사한 역할을 한다. 합성생물학은 바이오매스로부터 고부가가치 화학 물질, 연료, 전기에너지 등을 생산하는 데 활용될 수 있다.[238]유가 급등, 석유 자원 고갈, 기후 변화로 인한 국제 환경 규제 등으로 인해 친환경 대체 연료 사용이 확대되면서, 이러한 에너지를 생산하는 합성 미생물 개발 연구가 주목받고 있다. 미국의 키슬링(Keasling) 그룹 등은 수소 가스를 대량으로 생산할 수 있는 미생물을 합성하는 생물학적 방법을 개발하는 장기 프로젝트를 진행하고 있다.[238] 합성생물학의 선두 주자인 크레이그 벤터(J. Craig Venter) 박사는 합성생물학을 통해 화석 연료 대신 연료를 생산하는 미생물이 담긴 통을 장착한 자동차가 등장하여 유조선이 사라지고 지구 온난화 문제도 해결될 것이라고 주장한다.[238]
실제로 미국 에너지부 산하의 국가 바이오에너지 연구소(Joint BioEnergyInstitute, JBEI) 및 대표적인 바이오에너지 기업인 LS9사와 AMYRIS사 등은 합성 미생물을 이용하여 에탄올, 디젤, 항공유 등을 생산하고 있으며, 생산성을 높이는 단계에 있다.[238]
4. 2. 바이오 에너지
유가 급등, 석유 자원 고갈, 기후 변화로 인한 국제 환경 규제 때문에 친환경 대체 연료 사용이 확대되고 있다. 이에 따라, 이러한 에너지를 생산하는 합성 미생물을 개발하는 연구가 주목받고 있다. 미국의 키슬링(Keasling) 그룹 등은 수소 가스를 대량으로 생산할 수 있는 미생물을 합성하는 방법을 개발하는 장기 프로젝트를 진행하고 있다.[231]합성생물학의 선두 주자인 크레이그 벤터(J. Craig Venter) 박사는 합성생물학을 통해 화석 연료 대신 연료를 생산하는 미생물을 활용하여 유조선이 사라지고 지구 온난화 문제도 해결될 것이라고 주장한다. 실제로 미국 에너지부 산하의 국가 바이오에너지 연구소(Joint BioEnergy Institute, JBEI)와 바이오에너지 기업인 LS9사, AMYRIS사 등은 합성 미생물을 이용하여 에탄올, 디젤, 항공유 등을 생산하고 있으며, 생산성을 높이는 단계에 있다.
https://www.idtechex.com/ja/research-report/synthetic-biology-2018/616 IDTechEx는 합성 생물학에 대한 투자가 2023년에 238억달러에 달할 것으로 예측하고 있다.
4. 3. 합성백신
DNA 백신 개발은 설계가 용이하고, 품질이 우수하며, 보존성, 안전성, 비용 효율성이 높다는 장점을 가진다.[39] 이러한 백신은 체액 면역 및 세포내 면역을 유도하며,[39] 감염성 질환, 암, 자가면역질환, 알레르기 등 다양한 질병의 임상, 면역, 치료에 사용된다.[39]4. 4. 생물 치료제
Artemisinin영어 전구체 대량생산(캘리포니아 대학 Jay Keasling 연구팀)과 같이, 생물 치료제 개발에 합성생물학이 활용되는 예시들이 있다.4. 5. 생물학적 컴퓨터
인공적으로 설계된 생물학적 체계는 컴퓨터와 같은 작업을 수행한다. 병렬 공학 연구의 기본 유전자 코드는 핵산 및 20개의 아미노산과 같은 기존의 생체 분자를 사용하여 생물학적 시스템을 구축한다. 생물 컴퓨팅, 바이오에너지, 바이오 연료, 생물 정화, 광유전학, 의학 분야의 다양한 응용 분야에서 DNA 구성 요소의 표준화, 스위치, 바이오센서, 유전자 회로, 논리 게이트 및 세포 통신 연산자의 엔지니어링을 포함한다.[39]2000년에 제임스 J. 콜린스는 "Latch(래치)"라는 합성 유전자 회로를 개발했다. 이는 2개의 유전자로 구성된 전사 제어 유전자로부터 네트워크를 구축하여, 각 유전자가 자신이 코딩하는 단백질을 거쳐 다른 유전자의 전사를 제어하는 방식이다. 같은 해, 마이클 에로위츠와 Stanislas Leibler는 "Repressilator(리프레실레이터)"라는 합성 유전자 회로를 대장균의 유전자에 삽입하여, 살아있는 세포 내에서 유전자가 어떻게 유전자 발현하는지를 모델화하고, 동시에 살아있는 세포 내에 DNA 단편을 도입하여 관찰하고, 양자를 비교했다.[43] 이러한 연구에서는 모델을 제작하고 실험 결과를 예측하기 위해 그래프 이론, 부울 네트워크, 상미분 방정식, 확률 미분 방정식, 마스터 방정식 등 다양한 수학적 기법이 사용된다.
4. 6. 생체감지기 (Biosensor)
합성 생물학은 약물이나 연료와 같은 물질을 생산하거나, 환경에서 특정 물질을 감지하는 등 새로운 기능을 갖도록 유기체를 재설계하는 것을 목표로 한다. 연구자들은 합성 생물학을 통해 다음과 같은 예시들을 만들고 있다.- 생물 정화: 미생물을 활용하여 물, 토양, 공기 중의 오염 물질을 제거.
4. 7. 세포형질전환
유전자 회로를 이용하면 환경 신호에 대응하거나, 의사 결정 및 의사소통 등의 기능을 구현할 수 있다. 이러한 기능 구현에는 DNA, RNA, 유전자 회로를 이용하며, 유전자 발현을 통제하는 방식으로 이루어진다. 항말라리아제인 아르테미시닌 전구체를 대량 생산하는 것이 한 예시가 될 수 있다.[81]4. 8. 인공 설계 단백질
DNA가 정보 저장에 가장 중요하지만, 세포 활동의 상당 부분은 단백질에 의해 수행된다. 도구를 사용하면 단백질을 세포의 특정 영역으로 보내고 서로 다른 단백질을 연결할 수 있다. 단백질 파트너 간의 상호 작용 강도는 수 초(동적 신호 이벤트에 바람직함)에서 영구적인 상호 작용(장치 안정성 또는 혹독한 조건에 대한 탄력성에 바람직함)까지 조절 가능해야 한다. 코일 코일[66], SH3 도메인-펩타이드 결합[67] 또는 SpyTag/SpyCatcher[68]와 같은 상호 작용이 이러한 제어를 제공한다. 또한, 빛(빛-산소-전압 감지 도메인 사용) 또는 화학적으로 유도된 이량체화를 통해 세포 투과성 작은 분자를 사용하여 세포 내 단백질-단백질 상호 작용을 조절해야 한다.[69]4. 9. 인공 핵산 체계
유기 합성 화학을 생물학으로 확장하거나, 생명의 기원을 탐구하기 위해 유기 화합물을 만들어내는 연구가 진행되고 있다.4. 10. 우주 탐사
합성생물학은 지구에서 보낸 제한된 화합물 목록에서 우주비행사들을 위한 자원을 생산하는 데 활용할 가능성이 있어 NASA의 관심을 끌었다.[266][267][268] 특히 화성에서 현지 자원을 이용하여 유용한 물질들을 생산할 수 있을지 모르며, 이것이 현실화된다면 인류의 전초기지에서 지구 의존도를 낮출 수 있는 강력한 도구가 될 것이다.[266]4. 11. 합성생명
합성생명은 합성생물학의 중요한 주제로, 시험관 안에서 생체분자와 그 구성성분으로 만들어진 가상의 유기체를 의미한다. 합성생물 실험은 생명의 기원을 연구하거나, 생명의 특성을 연구하거나, 더 나아가 비생물적 성분(:en:abiotic component)에서 생명의 형태를 재창조하고자 시도한다.[270]살아있는 "인공세포"는 에너지를 모으고, 이온 기울기(:en:electrochemical gradient)를 유지하고, 거대분자(:en:macromolecules)를 함유하고 정보를 저장하며 변이할 수 있는, 처음부터 끝까지 합성하여 만들어진 세포로 정의된다.[271] 그러나 아직 이러한 세포를 만든 사례는 없었다.[271]
크레이그 벤터는 2010년에 온전히 인공적으로 만들어진 세균 염색체를 생산했으며, 그의 팀은 이를 유전자가 제거된 박테리아 숙주 세포에 삽입하였다.[272] 숙주세포는 성장하고 자가복제할 수 있었다.[273][274]
2014년에는 '인공적으로' 확장된 DNA를 가진 최초의 살아있는 유기체가 발표되었다. 연구자들은 대장균의 염색체를 인공적으로 유전부호를 첨가한 염색체로 대체하였다. 첨가된 뉴클레오사이드는 d5SICS(:en:D5SICS), dNaM(:en:DNaM)였다.[265]
2019년 5월에는 박테리아 ''대장균'' 의 유전체 안의 64개의 본래의 유전 부호를 20개의 아미노산을 부호화하기 위해 59개로 줄인 새로운 형태의 생명의 창조가 보고되었으며, 이는 합성생물학이 새로운 경지에 다다랐음을 상징하는 이정표가 될 것이다.[275][276]
4. 12. 약물전달체계
합성생물학은 감염성 질환 환자의 치료를 향상시키는 진단 도구를 생산해냈다.[39] DNA는 생명체의 복잡한 교향곡의 악보처럼 생물학적 과정이 어떻게 작동해야 하는지에 대한 지침 역할을 한다. 지난 수십 년 동안 DNA 염기 서열을 읽고(시퀀싱) 쓰고(합성)하는 기술 개발로 인해 생물학적 시스템을 이해하고 설계하는 능력이 크게 발전했다. 이러한 DNA 기술은 유전자, 물질, 회로 및 대사 경로를 설계, 조립 및 수정하는 획기적인 기술을 만들어 생물학적 시스템, 나아가 전체 유기체에 대한 제어력을 끊임없이 증가시켰다.[43]기본 기술에는 DNA를 읽고 쓰는 기술(시퀀싱 및 제작)이 포함된다. 정확한 모델링 및 컴퓨터 지원 설계(CAD)를 위해서는 여러 조건에서 측정이 필요하다.
4. 12. 1. 조작된 박테리아 기반 체계
비피도박테리움속(:en:Bifidobacterium), 클로스트리디움속(:en:Clostridium)과 같은 박테리아는 오랫동안 암 치료에 사용되어 왔으며, 암세포만 감염시켜 그 크기를 줄이는 효과가 있다.[277] 최근 합성생물학자들은 박테리아가 암의 특정 상태를 감지하고 반응하도록 조작하여, 치료성 분자를 암에 정확히 전달하고 오발 효과를 최소화하는 데 활용하고 있다.종양세포를 표적으로 삼기 위해, 종양세포만을 인지하는 펩타이드를 박테리아 표면에 발현시킨다. 이러한 펩타이드에는 인간 표피 성장 인자 수용체 2(:en:Epidermal growth factor receptor)[278]와 인공 부착분자(:en:Adhesin molecule (immunoglobulin -like)).[279]를 표적으로 하는 애피바디(:en:affibody) 분자 등이 사용된다.
또 다른 방법으로는, 박테리아 안에 AND 논리 게이트를 만들어 저산소증과 같은 종양미세환경(:en:Tumor microenvironment)을 감지하도록 하는 것이다.[280] 이를 통해 박테리아는 용균(:en:lysis)[281]이나 분비 체계(:en:bacterial secretion system)[282]를 통해 치료성 분자를 종양에 퍼뜨린다. 용균은 면역 체계를 자극하고 증식을 통제할 수 있다는 장점이 있으며, 다양한 종류의 분비 체계를 활용할 수 있다. 분비 체계는 화학물질, 전자기파, 광파와 같은 외부 신호로 유발할 수 있다.
이러한 치료 방식에는 ''Salmonella typhimurium'', ''Escherichia Coli'', ''Bifidobacteria'', ''Streptococcus'', ''Lactobacillus'', ''Listeria'' ''Bacillus subtilis'' 등 다양한 종과 균주가 활용된다. 각 종은 고유한 특성을 가지며, 조직 정착, 면역 체계와의 상호작용, 적용 난이도 등이 다르다.
4. 12. 2. 세포 기반 체계
면역 체계는 암에 있어 중요한 역할을 하며 암세포를 공격하는 데 활용할 수 있다. 세포 기반 치료는 암 면역치료에 집중하는데, 주로 조작된 T세포를 활용한다.T세포 수용기는 암 항원 결정기를 탐지하기 위해 조작되고 '훈련된다'. 키메라 항원 수용체(CARs)는 항체의 조각과, 세포의 증식을 활성화하고 유발할 수 있는 세포내 T 세포 신호영역이 융합한 형태를 띠고 있다. FDA에서는 2세대 CAR 기반 치료법을 승인하였다.
유전자 스위치는 치료의 안전성을 향상시키기 위해 설계되었다. 킬 스위치는 환자에게 심각한 부작용을 일으키는 치료법을 종결시키기 위해 개발되었다.[283] 어떤 기제들을 통해 체계를 통제하고 정지시키고 재활성화시킬 수 있다.[284][285] 치료법의 지속성과 강도를 조절하기 위해선 T세포의 숫자가 중요하기 때문에, T세포의 성장률도 치료의 효과와 안전성을 위해 통제된다.[286]
큰 DNA 회로를 세포에 삽입하는 것의 어려움과 외래 성분, 특히 단백질을 세포 내에 도입하는 것의 위험성 등등의 한계점이 있지만, 몇 가지 기제를 통해 안전성과 통제력을 높일 수 있다.
5. 논란
합성생물학은 생물안전성, 생물안보, 생명윤리 측면에서 다양한 논란을 야기하고 있다.[287]
생명체를 새로 창조하거나 기존 생명체를 변형하는 것은 여러 윤리적 문제를 제기하며, 이에 대한 논의가 활발하게 이루어지고 있다.[181][177] 제기되는 주요 윤리적 질문은 다음과 같다:
- 자연을 조작하는 것은 도덕적으로 옳은가?
- 새로운 생명을 창조하는 것은 신을 자처하는 행위인가?
- 합성 생물이 실수로 유출되면 어떻게 되는가?
- 개인이 합성 생물학을 악용하여 해로운 존재(예: 생물학적 무기)를 만들면 어떻게 되는가?
- 누가 합성 생물학의 생산물을 통제하고 접근할 수 있는가?
- 이러한 혁신을 통해 누가 이익을 얻을 것인가? (투자자, 환자, 산업 농부 등)
- 특허 시스템이 생물에 대한 특허를 허용하는가? 인간 HIV 저항 유전자와 같은 생물체의 부분은 어떠한가?[178]
- 새로운 창조물이 도덕적 또는 법적 지위를 가질 자격이 있다면, 그 지위는 어떻게 관리되어야 하는가?
합성 생물학의 윤리적 측면은 생물 안전, 생물 보안, 그리고 새로운 생명체 창조라는 세 가지 주요 특징을 갖는다.[179] 이 외에도 새로운 창조물의 규제 및 특허 관리, 이익 분배, 연구 진실성 등의 윤리적 문제가 제기된다.[180][181]
재조합 DNA 및 유전자 변형 생물체(GMO) 기술에 대한 윤리적 문제가 제기되었고, 많은 관할 구역에서 유전자 공학 및 병원체 연구에 대한 광범위한 규제가 시행되었다. 전 대통령 생명윤리 위원회 위원장인 에이미 거트만(Amy Gutmann)은 합성 생물학, 특히 유전자 공학을 과도하게 규제하려는 유혹을 피해야 한다고 주장했다. 거트만에 따르면 "규제상의 절약은 불확실성과 미지에 대한 두려움을 바탕으로 혁신을 억제하려는 유혹이 특히 큰 신기술에서 특히 중요하다. 법정 및 규제 제한이라는 무딘 도구는 새로운 이점의 분배를 억제할 뿐만 아니라, 연구자가 효과적인 안전 장치를 개발하는 것을 막아 보안과 안전에 역효과를 낼 수 있다."[182]
생명체를 새로 창조하는 행위가 과연 용납될 수 있는가에 대한 윤리적 질문은 '신 놀이'라는 비판으로 이어진다. 현재, 자연계에 존재하지 않는 새로운 생명체의 창조는 소규모로 진행되며, 잠재적 이점과 위험은 아직 명확히 밝혀지지 않았다. 따라서 대부분의 연구는 신중한 고려와 감독 하에 이루어지고 있다.[181]
많은 지지자들은 인공 생명체 창조가 농업, 의학, 학술 지식 등 다양한 분야에 큰 가치를 제공할 수 있다고 주장한다. 새로운 개체 창조는 자연 현상 연구를 통해 기존 지식의 범위를 확장할 수 있다는 것이다. 그러나 일각에서는 인공 생명체가 자연의 '순수성'을 훼손하고, 생물 다양성 및 자연 중심적 가치보다는 공학적 원칙을 우선시하게 만들 수 있다는 우려를 제기한다. 또한 인공 생명체가 자연 환경에 방출될 경우, 자연 종과 자원 경쟁을 벌여 생물 다양성을 저해할 수 있다는 우려도 존재한다(예: 녹조 현상이 해양 생물에 미치는 영향).
새로 창조된 개체가 통각, 지각력, 자아 인식을 갖게 될 경우, 이들에 대한 윤리적 대우 문제 역시 중요한 논쟁거리이다. 이러한 생명체에게 도덕적 또는 법적 권리를 부여해야 하는지에 대한 논의는 계속되고 있지만, 이러한 권리의 관리 및 시행 방법에 대한 합의는 아직 이루어지지 않았다.
합성 생물학의 특정 응용을 지지하는 윤리적, 도덕적 근거로는 기존 농업 (특히 육류 생산)의 부정적 영향, 동물 복지, 식량 안보, 인간 건강과 같은 중대한 문제의 완화 가능성, 인간 노동력 요구 감소, 질병 치료를 통한 고통 감소 및 수명 연장 등이 있다.
5. 1. 위험성
합성생물학의 위험에 대한 논의는 크게 생물안전성, 생물안보, 생명윤리의 영역으로 구분된다.[287] 합성생물학은 의도적이든 비의도적이든 인간에게 해를 끼치거나 환경을 파괴하는 방식으로 사용될 수 있는 이중 용도 기술의 한 예이다.[216]- 생물안전 위험은 기존의 생명공학 분야와 유사하며, 주로 병원체와 유해 화학 물질에 노출되는 것이지만, 새로운 합성 유기체는 새로운 위험을 가질 수 있다.[212]
- 생물보안과 관련하여, 합성 또는 재설계된 유기체가 이론적으로 생물 테러에 사용될 수 있다는 우려가 있다. 잠재적 위험으로는 알려진 병원체를 처음부터 재현하거나, 기존 병원체를 더 위험하게 조작하거나, 유해한 생화학 물질을 생산하도록 미생물을 조작하는 것 등이 있다.[213]
- 환경적 위험에는 생물 다양성과 생태계 서비스에 대한 유해한 영향, 그리고 합성 유기체의 농업적 사용으로 인한 토지 이용의 잠재적 변화 등이 포함된다.[214][215]
유전자 변형 생물체(GMO)에 대한 기존의 위험 분석 시스템은 합성 유기체에도 일반적으로 충분하다고 여겨지지만, 개별 유전자 서열로부터 "상향식"으로 구축된 유기체에는 어려움이 있을 수 있다.[187][217]
5. 1. 1. 생물안전성
위험에 대한 논의는 크게 생물안전성, 생물안보, 생명윤리의 영역으로 구분된다.[287] 생물안전성은 위험물질이 비의도적으로 또는 환경방출용으로 외부에 노출되었을 때 인간과 생태계에 미치는 영향에 관한 내용이다.- 생물안전성 이슈는 세계적으로 합성생물학 등장 전부터 논의되어 왔다. 1990년대 외래유전자를 삽입해 상품으로 만든 LMO의 등장이 논의가 시작된 주요 계기였다. 그러나 합성생물학 이후는 질적으로 다른 위해성을 야기한다는 주장이 나타난다.
- 기존 GMO의 유전자가 박테리아나 바이러스로 이동할 수 있다는 증거가 제시됨에 따라 종의 경계를 넘어 유전자 이동이 모든 생명체를 대상으로 일어날 가능성과 생태계 교란 가능성을 가늠할 수 없기에 더욱 위험하다.
- 유전자의 복잡한 네트워크 상호작용에 대해 알려지지 않은 부작용의 가능성과 장기적으로만 발현되는 부작용이 존재하는 경우에도 미리 알아낼 방도가 없기에 직접 사용해봄으로써만 안전성 검증이 가능하다는 점에 우려의 목소리가 높아지고 있다.
5. 1. 2. 생물안보
합성생물학의 위험에 대한 논의는 크게 생물안전성, 생물안보, 생명윤리의 영역으로 구분된다.[287] 이 중 생물안보는 의도적으로 병균이나 독성물질을 훔쳐 생태계에 방출하거나, 바이오 테러에 악용하는 문제를 다룬다. 합성생물학 기술은 이미 박멸된 바이러스라도 서열만 알면 실험실에서 복원하고, 맹독성, 내성, 강력한 전염성을 가진 바이러스, 세균, 세포를 생산하여 생화학 무기로 악용할 수 있다는 가능성 때문에 우려의 목소리가 높다.- 2009년 11월 미국 정부는 인공 생명체의 위험성을 경고하며 유전자 합성 시 감시망을 가동하는 지침을 마련했다.
- 세계 생명공학기업들도 업계 자율 지침을 마련하고 있다.
- 국내 연구자들 역시 사회적 제도와 관심이 필요하다고 말한다. 이상엽 카이스트 교수는 “유전자 합성 기술을 악용하는 ‘바이오 해킹’은 통제하기 힘든 위협이 될 수 있다”고 경고했다.[287] 박한오 바이오니아 사장은 대유행병 치료제 기술을 ‘공공자산’으로 선언하고 영리활동을 금지하는 국제규약의 필요성을 제기했다. 김훈기 박사(서울대 강의교수)는 한국 정부의 법·제도 마련을 촉구했다.
- 버락 오바마 미국 대통령은 2010년 5월 합성생물학의 잠재적 위험에 대한 평가를 ‘생명윤리 쟁점 연구를 위한 대통령위원회’에 요청했다. 이 위원회는 보고서 제출을 앞두고 있으며, 이 보고서는 합성생물학 기술에 대한 첫 윤리와 안전성 평가로 주목받고 있다.[288]
5. 1. 3. 생명 윤리
합성생물학은 생물을 합성하거나 변형하는 과정에서 생명 경시와 관련된 윤리적 문제를 야기한다.[287] 이는 생명 윤리 영역에서 중요한 논의 대상이다.[287]합성생물학과 관련하여 제기되는 일반적인 윤리적 질문은 다음과 같다.[181][177]
- 자연을 조작하는 것은 도덕적으로 옳은가?
- 새로운 생명을 창조하는 것은 신을 자처하는 행위인가?
- 합성 생물이 실수로 유출되면 어떻게 되는가?
- 개인이 합성 생물학을 악용하여 해로운 존재(예: 생물학적 무기)를 만들 가능성은 없는가?
- 누가 합성 생물학의 생산물을 통제하고 접근할 수 있는가?
- 이러한 혁신을 통해 누가 이익을 얻을 것인가? (투자자, 환자, 산업 농부 등)
- 특허 시스템이 생물에 대한 특허를 허용하는가? 인간 HIV 저항 유전자와 같은 생물체의 부분은 어떠한가?[178]
- 새로운 창조물이 도덕적 또는 법적 지위를 가질 자격이 있다면, 그 지위는 어떻게 관리되어야 하는가?
합성 생물학의 윤리적 측면은 생물 안전, 생물 보안, 그리고 새로운 생명체 창조라는 세 가지 주요 특징을 갖는다.[179] 이 외에도 새로운 창조물의 규제 및 특허 관리, 이익 분배, 연구 진실성 등의 윤리적 문제가 제기된다.[180][181]
유전자 변형 생물체(GMO)와 관련된 윤리적 문제가 이미 제기되었으며, 많은 국가에서 유전자 공학 및 병원체 연구에 대한 광범위한 규제를 시행하고 있다. 에이미 거트만(Amy Gutmann) 전 대통령 생명윤리 위원회 위원장은 합성 생물학, 특히 유전자 공학에 대한 과도한 규제를 피해야 한다고 주장했다. 그녀는 "불확실성과 미지에 대한 두려움 때문에 혁신을 억제하려는 유혹이 큰 신기술 분야에서는 규제 절약이 특히 중요하다. 법적, 규제적 제한이라는 무딘 도구는 새로운 이점의 분배를 억제할 뿐만 아니라, 연구자들이 효과적인 안전 장치를 개발하는 것을 막아 보안과 안전에 역효과를 낼 수 있다"고 강조했다.[182]
새로운 생명체를 창조하는 행위가 용납될 수 있는지에 대한 윤리적 질문은 '신 놀이'라는 비판으로 이어진다. 현재 자연계에 존재하지 않는 새로운 생명체의 창조는 소규모로 진행되며, 잠재적 이점과 위험은 아직 명확히 밝혀지지 않았다. 따라서 대부분의 연구는 신중한 고려와 감독 하에 이루어지고 있다.[181]
많은 지지자들은 인공 생명체 창조가 농업, 의학, 학술 지식 등 다양한 분야에 큰 가치를 제공할 수 있다고 주장한다. 새로운 개체 창조는 자연 현상 연구를 통해 기존 지식의 범위를 확장할 수 있다는 것이다. 그러나 일각에서는 인공 생명체가 자연의 '순수성'을 훼손하고, 생물 다양성 및 자연 중심적 가치보다는 공학적 원칙을 우선시하게 만들 수 있다는 우려를 제기한다. 또한 인공 생명체가 자연 환경에 방출될 경우, 자연 종과 자원 경쟁을 벌여 생물 다양성을 저해할 수 있다는 우려도 존재한다(예: 녹조 현상이 해양 생물에 미치는 영향).
새로 창조된 개체가 통각, 지각력, 자아 인식을 갖게 될 경우, 이들에 대한 윤리적 대우 문제 역시 중요한 논쟁거리이다. 이러한 생명체에게 도덕적 또는 법적 권리를 부여해야 하는지에 대한 논의는 계속되고 있지만, 이러한 권리의 관리 및 시행 방법에 대한 합의는 아직 이루어지지 않았다.
합성 생물학의 특정 응용을 지지하는 윤리적, 도덕적 근거로는 기존 농업 (특히 육류 생산)의 부정적 영향, 동물 복지, 식량 안보, 인간 건강과 같은 중대한 문제의 완화 가능성, 인간 노동력 요구 감소, 질병 치료를 통한 고통 감소 및 수명 연장 등이 있다.
5. 2. 실제 사례
호주 호주의 이안 램쇼(Ian Ramshaw) 박사는 천연두 바이러스와 매우 유사하며 쥐에 감염될 수 있는 마우스폭스 바이러스를 합성유전자를 이용하여 유전자 조작을 하였다. 쥐나 토끼를 불임시키기 위한 피임용 백신을 개발할 목적으로 연구를 진행하였지만, 이 과정에서 IL-4를 가지고 있는 마우스폭스를 제작하였다. 이는 굉장히 독성이 강하여 백신주사를 이용하여 예방시킨 쥐도 60% 이상을 죽이는 맹독성을 나타내게 되었다.[289]현재 이와 비슷한 방식으로 우두 바이러스를 대상으로 변형된 실험을 시행하고 있는데, 이 우두 바이러스는 소뿐만 아니라 사람에게도 감염될 수 있다는 점에서 더욱 큰 문제로 인식되고 있다.[289]
5. 3. 해결의 움직임
- 합성생물학이 나아갈 방향과 문제 해결책에 대해 토론하는 자리로 2004년 MIT에서 첫 번째 합성생물학 학술회의인 SB 1.0(Synthetic Biology 1.0)이 열렸고, 이후 SB 2.0이 UC 버클리에서, SB 4.0인 4차 회의가 2008년 홍콩에서 개최되었다.[224] 학술회의에서는 합성생물학 전문가뿐만 아니라 NGO 단체, 시민단체, 환경전문가, 사회정의단체 등이 공개적으로 참가하여 안전, 건강, 환경, 인간의 권리를 포함한 토론을 펼치며 의견을 교환한다.
- 최근 영국 런던의 임페리얼 컬리지에 설립된 합성생물학 및 혁신센터(Centre forSynthetic Biology and Innovation)는 합성생물학 분야 관련 과학과 정책, 대외협력을 함께 할 수 있는 곳이다. 이 연구소에서는 사회과학자팀과의 통합연구를 통해 대중의 우려를 줄이고자 노력하고 있으며, 합의를 통한 건전한 합성생물학 발전을 위해 영국 최초로 토론참여자 16명과 전화응답자 1,000명에 대해 공개조사를 실시했다.
- 미국의 NRC(National Research Council), NSABB(National Science Advisory Board) 등에서도 규제방안 마련을 시도하고 있다. 아직은 국가 차원의 합성생물학 연구 관련 규제 법률이 미비하지만, 합성생물학의 잠재적 위험요소를 알고 있는 일부 과학자들이 자율규제(selfregulation)를 강조하고 있다. 대표적인 예로 유전자 합성과정에서 합성하고자 하는 유전자뿐만 아니라 합성 의뢰자들에 대한 리스트를 만들어 관리하고 있다.[224]
- 2008년 12월 생물 무기 금지협약 당사국 회의에서 합성생물학 기술의 오용 가능성에 대한 우려가 본격적으로 제기되었다. 국제기구나 국제협약 차원에서 합성생물학의 위험에 대한 논의가 활발히 진행되고 있다. 2009년 9월 22일 프랑스 파리에서 개최된 경제협력개발기구(OECD)의 <합성생물학 전문가 회의>가 한 가지 사례이다. 핵심 우려 사항은 새로운 바이러스의 등장이었다.[290][291][292]
6. 철학적 논의
합성생물학은 생명이 무엇인지, 생명의 기원은 무엇인지 등 철학적 질문에 대한 답을 찾는 데 기여할 수 있다.[293]
합성생물학은 하향식, 병렬, 직교, 상향식 등 다양한 공학적 접근 방식을 통해 이루어진다.[38] 자연에 존재하는 생명 현상을 모방하여 인공 생명체를 만들거나, 생명 시스템의 구성 요소를 조합하여 자연에는 없는 새로운 시스템을 구축하기도 한다. 이러한 과정을 통해 분석만으로는 해결하기 어려운 문제에 접근하고 새로운 패러다임을 제시한다.[39]
크레이그 벤터의 인공세포 합성 연구는 물질과는 다른 힘이 생명 현상을 지배한다는 생기론을 반박할 근거를 제시하며, 무기물에서 유기물이 합성되어 코아세르베이트를 형성했다는 가설과 함께 생명 기원에 대한 실마리를 제공할 수 있을 것으로 기대된다.[293]
6. 1. 생명이란 무엇인가?
생명은 성장, 적응, 대사 활동, 환경과의 물질 교환, 번식, 진화 등의 특성을 지닌다고 정의되지만, 그 궁극적인 실체는 아직 명확하게 밝혀지지 않았다. 이러한 이유로 생명이 무엇인지에 대한 다양한 견해, 즉 생명관 또는 생명론이 존재한다.[293]합성생물학은 "생명이란 무엇인가?"라는 질문에 대한 해답을 찾는 데 도움을 줄 수 있다는 주장이 제기되고 있다.[293] 리드 대학의 마르크 베다우 교수는 크레이그 벤터의 인공세포 합성 연구가 인류에게 생명에 대해 배울 수 있는 전례 없는 기회를 제공한다고 말한다. 게놈 정보를 완벽하게 통제할 수 있게 되면, 게놈 작동 방식을 탐구할 수 있는 좋은 기회가 되기 때문이다. 그는 인공 게놈이 무생물에서 생명체가 만들어지는 날을 앞당길 것이며, 이는 생명의 의미, 중요성, 미래 인간의 역할에 대한 오래된 질문을 다시 불러일으킬 것이라고 덧붙였다.
6. 2. 생기론의 종언인가?
인류는 생명 현상이 물질과는 근본적으로 다른 힘에 의해 지배된다는 생각에 오랫동안 사로잡혀 있었다. 아리스토텔레스는 이를 영혼설이라는 철학적 형식으로 제시했고, 질료로부터 형상(形相)을 실현시키는 원리를 엔텔레케이아라고 불렀다. 그는 생물에서 엔텔레케이아가 식물적, 동물적, 인간적인 3종의 영혼으로 나타난다고 보았다. 이러한 관점은 역사의 흐름과 함께 많은 학자들에 의해 다양하게 표현되었지만, 17세기 이후 기계론에 의해 점차 세력이 약화되었다.이러한 시점에서, 물질로부터 생명 합성이 가능하게 되었음을 보여주는 크레이그 벤터의 인공세포 합성 연구 결과는 생기론의 종언이 다가왔다는 주장을 제기한다. 더불어 생기론의 종언과 함께 생명의 입지가 바뀔 것이라는 예측도 나오고 있다.[293]
펜실베이니아대학 생명윤리학 교수 아서 캐플런은 벤터와 동료들의 실험이 우리가 생명으로 여기는 것을 물질세계 조작으로 만들 수 있음을 보여주었다고 평가한다. 그는 이 실험이 수천 년 동안 지속된 생명 본성에 관한 논쟁에 마침표를 찍었다고 주장한다.
100년 훨씬 이전에 프랑스 철학자 앙리루이 베르그송은 생명이 단순히 기계적으로 설명될 수 없으며, 분자를 합성해 인공으로 생명을 창조하는 일도 불가능하다고 주장했다. 그는 "elan vital"(말로 표현하기는 힘들지만 무기물과 생물을 구분해주는 생기력)이 존재한다고 믿었다. 즉, 무기물을 아무리 조작해도 생명체는 창조할 수 없다는 것이다.
이러한 ‘생기론적(vitalist)’ 관점은 여러 형태를 띠며 오랜 시간에 걸쳐 나타났다. 2세기에 갈렌은 ‘vital spirit’에 관한 저술을 남겼고, 루이 파스퇴르는 1862년에 생명이 어떻게 존재하는지 설명하고자 ‘vital action’을 연구했다. 생물학자 한스 드리쉬는 1984년에 생명의 필수요소로 ‘엔텔러키(entelechy: 생명력 essential force)'를 지목했다. 한편, 여러 종교들은 영혼이 인간 생명의 본질을 구성한다고 주장해왔다.
아서 캐플런 교수는 이러한 뿌리 깊은 형이상학적 관점들이 이제 생명이 무생물 부품으로 창조될 수 있음이 입증되면서 의문의 대상이 되었다고 말한다. 비록 그것이 이미 존재하는 세포에서 가져온 것이기는 하지만, 벤터의 성취는 생명에 특별한 힘 또는 존재의 파워가 필요하다는 논증을 무력화하는 것처럼 보인다고 평가한다. 그는 이러한 점에서 벤터의 연구가 인류 역사상 가장 중요한 과학적 성취 중 하나가 될 것이라고 덧붙였다.[293]
6. 3. 생명의 기원은?
A.I. 오파린과 J.B.S. 홀데인은 각각 독립적으로 물질 진화에 근거하는 가설을 제시했는데, 이는 무기물에서 유기물이 합성되고, 이 유기물이 원시 해양에서 최초로 일정한 형태를 만든 것이 코아세르베이트(coacervate)라는 것이다.[293] 원시 해양에서 유기물이 생성되어 축적될 수 있다는 점은 1960년 이후 수많은 실험으로 뒷받침되고 있다. 하지만 원시 생명체에서 핵산과 단백질의 중요성, 이 두 물질의 관계, 그리고 현재 생물 세포의 구조가 코아세르베이트에 비해 훨씬 복잡하다는 점 등, 아직 해결해야 할 기본적인 문제가 많이 남아있다.[293]복잡하고 미묘한 생명이 언제, 어떤 경로로 지구상에 나타났는지에 대한 접근법은 각 시대의 생명관과 밀접한 관련이 있다. 최근 크레이그 벤터의 실험이 생명 기원에 대한 해답을 줄 수 있다는 주장이 제기되었다.[293]
산타크루즈 캘리포니아대학 생물분자공학 데이빗 디머 교수는 벤터 연구소 연구팀의 성과에 대해 세포질은 합성하지 않고 기존의 세포질을 사용했기 때문에 완전한 인공은 아니라고 지적하면서, 17세기 의사 윌리엄 하비의 "Omne vivum ex ovo"(모든 생명체는 알에서 나온다)라는 말이 여전히 유효하다고 말한다.[294] 이 말은 모든 생명체가 이미 존재하는 생명체에서 나온다는 뜻이다. 그러나 이 말이 아주 오랫동안 더 유효하지는 않을 것 같다고 덧붙인다. 벤터 연구팀이 미생물 게놈을 모방하는 방법을 입증했기에, '생명은 어떻게 시작되었나'라는 생물학의 큰 질문 중 하나에 답하는 것도 가능할 것이라고 주장한다. 합성 RNA가 인공 막 안에서 자체 재생산을 촉진할 수 있도록 설계된다면, 실험실에서 생명을 창조하게 될 것이며, 이는 아마도 40억 년 전 지구상에 출현한 최초의 생명체와 유사할 것이라고 덧붙였다.[294]
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