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미래를 바꿀 축복의 도구, 크리스퍼 유전자 가위
새로운 생명과학의 시대가 도래했다!

2015년, 생명과학계를 강타할 획기적인 기술이 발표된다. 바로 미국의 생화학자 제니퍼 다우드나와 프랑스의 미생물학자 에마뉘엘 샤르팡티에가 개발한 ‘크리스퍼 유전자 가위 기술’이다. 2019년 노벨 생리의학상 수상자 윌리엄 케일린은 이를 ‘달 탐사선보다 대단한 일’이라고 치켜세우며, 생명과학계에 불러올 파장을 예고했다.
코로나 바이러스가 기승을 부리기 시작하면서, 크리스퍼 유전자 가위는 다시 한번 대중의 입에 오르내리게 된다. 코로나 바이러스 진단 도구가 출시되고, 백신과 치료제를 개발 중이라는 소식이 들려오는 와중에 이를 가능하게 한 기술이 바로 크리스퍼 유전자 가위라는 사실이 밝혀졌기 때문이다. 대체 크리스퍼 유전자 가위가 무엇이기에 풀 수 없을 것 같던 팬데믹의 매듭이 조금씩 헐거워지고 있는 것일까?

크리스퍼 유전자 가위가 재단하는 인류의 미래

크리스퍼 유전자 가위(CRISPR-Cas9)란 특정 DNA 염기서열에 맞는 RNA 형태의 크리스퍼를 만들어 카스나인에 집어넣는 기술이다. 크리스퍼 유전자 가위는 잘라낼 염기서열로 안내하는 가이드 RNA와 RNA가 데려간 곳을 직접 자르는 카스나인으로 제작한 단백질 분자로 구성된다. 특정 단백질을 자르려면 그에 맞는 크리스퍼 유전자 가위를 만들어야 한다. 쉽게 말해 문서 편집 프로그램에서 자주 쓰는 ‘찾아 바꾸기’ 기능을 생명과학 기술로 재현해내는 것이다. 문서 분량이 많아서 특정 문자열을 찾기가 힘든 경우에 이 기술을 사용하듯이, 크리스퍼 유전자 가위는 수많은 염기서열 중 특정한 부분을 찾아내 원하는 염기서열로 바꾸는 무척 섬세한 기술이다.
물론 크리스퍼 이전에도 유전자 가위 기술은 존재했다. 그러나 만들기가 까다롭고 제조 비용이 상당해 상용화에는 어려움이 있었다. 그러나 크리스퍼 유전자 가위 기술은 제조 비용이 적고, 사용 방법도 쉬우며, 원한다면 누구나 쉽게 이용할 수 있는 열린 기술이다. 그렇다면 크리스퍼 유전자 가위 기술이 가장 반가운 사람은 누구일까? 부모에게 질병을 물려받아 병마와 힘겹게 싸우고 있는 환자들일 것이다. 살아서는 극복할 수 없었던 유전 질병이, 이제는 특정 염기서열을 찾아 바꾸는 것만으로 완치가 가능해졌기 때문이다. 아울러 기후 변화와 병충해로 식량 위기를 겪는 사람들에게도 큰 도움이 될 것이다. 어떤 기후와 병충해에도 적응하는 작물의 탄생이 머지않았으니 말이다. 이처럼 크리스퍼 유전자 가위를 영리하게 사용한다면 질병의 고통에서 벗어나는 일도, 식량 문제를 해결하는 일도 더 이상 상상이 아니라 현실이 될 것이다.

유전자를 편집하는 인간, ‘호모 크리스퍼’
과학의 이름으로 신의 권능을 부리다

이제 인간은 유전자 편집 기술로 새로운 생명을 탄생시키기에 이르렀다. DNA를 이어붙여 만든 인공 생명체의 활용 분야는 무궁무진하다. 전자회로를 설계해 반도체를 만들 듯 ‘유전자 회로’를 설계할 수 있기 때문이다. 생명 유지에 필요한 최소 기관만 가진 합성 세포를 만들고 여기에 유전자를 추가해 환경에 따라 원하는 유전자만 발현시키는 ‘스마트 식물’을 만들어낼 일이 머지않았다.
물론 크리스퍼 유전자 가위 기술이 예상하지 못한 미래를 불러올 가능성도 있다. 그러나 유전자 가위 기술은 특정 유전자의 기능과 역할을 밝히는 기초 연구에 크게 기여하는 중이다. 멸종 동물의 복원, 기후 변화에 강력한 식물, 질병에 강한 농작물, 인간의 유전적인 질병에 대한 근본적인 유전자 치료, 암과 같은 악성 질병, 코로나를 비롯한 바이러스 백신 등에 적용할 수 있는 기술들의 든든한 버팀목이 되어주고 있다. 크리스퍼 유전자 가위 기술의 빛과 그림자를 제대로 알고 마주할 때, 우리의 삶은 더 건강하고 풍요롭게 바뀌게 될 것이다.

생명과학 분야의 가장 뜨거운 이슈,
크리스퍼 유전자 가위를 가장 쉽게 이해하는 방법!

“크리스퍼 유전자 가위가 생명과학에서 가장 뜨거운 이슈인 만큼, 학생들도 이에 관한 책이나 기사를 어떠한 이유에서든 많이 접합니다. 하지만 막상 설명과 이해는 어렵습니다. 크리스퍼를 알기 위해 선행되어야 할 지식이 너무나 많기 때문이죠. 이 책은 그런 학생들을 위해 만들어졌습니다.”
-「들어가며」 중에서

손쉽게 정보를 접하는 시대가 되었다 해도, 전문 분야인 생명과학은 쉽게 이해하기가 어려운 것이 사실이다. 게다가 정보를 소화하는 능력을 키워나가는 단계인 청소년들에게는 도무지 풀리지 않는 수수께끼처럼 느껴질 터다. 이에 생명과학에 진심인 두 선생님이 나섰다. 아이들에게 미래의 핵심 기술로 떠오른 크리스퍼 유전자 가위 기술의 빛과 그림자를 제대로 알리고, 앞으로 다가올 유전자 편집 시대를 맞이하기 위한 준비를 일러두기 위해서다.
이 책에서는 가장 최근에 두드러진 크리스퍼 유전자 가위 이슈를 소개하되, 가능한 직관적으로 받아들일 수 있도록 풀어썼다. 아울러 전문적인 부분에 오류가 없도록 관련 분야를 전공한 선생님에게 꼼꼼한 검수도 받았다. 〈10대 이슈톡〉 시리즈만의 특별한 구성인 ‘토론거리’와 ‘대화의 수준을 끌어올리는 똑똑이 아이템’으로 단단하게 다진 기본 개념을 여러 갈래로 발전시켜볼 수 있게 했다.
유전자 가위의 등장에서부터 이 기술이 불러올 미래의 초상까지 그려낸 《크리스퍼 유전자 가위는 축복의 도구일까?》는 아이들이 좀 더 쉽게 생명과학 이슈를 이해할 수 돕는 가장 친절한 안내서가 되어줄 것이다.

들어가며

1장 크리스퍼 만능 가위
01 노벨 화학상으로 인정받은 신의 한 수
02 자연의 법칙에 도전장을 던진 크리스퍼
03 호모 크리스퍼(Homo CRISPR)라 칭하노라
04 생명체를 레고처럼 조립한다고
05 크리스퍼 베이비
06 바이오 아티스트 - 에두아르도 카츠

2장 DNA, 너는 어디 있니?
01 세포, 모든 생명체의 시작
02 염색체, 부모 세대의 소중한 선물
03 DNA와 RNA, 생명의 중심 원리
04 게놈 분석, 금단의 영역에 도전하다
05 데우스 엑스 마키나(deus ex machina)와 유전자 검사
06 유전자도 이름이 있다 - 유전자 기호

3장 크리스퍼 유전자 가위 기술
01 크리스퍼(CRISPR)? 바삭바삭(crisp)할까?
02 카스나인(Cas9) 유전자
03 크리스퍼 유전자 가위는 어떻게 만들까?

4장 크리스퍼 유전자 가위 기술의 위력
01 유전 질환 손 들어!
02 희귀 동식물을 번식시킬 수 있을까?
03 말라리아 퇴출 작전 - 유전자 드라이브
04 식량 부족의 해결사

5장 유전자 가위, 무엇을 우려하는가?
01 염기 하나가 사라진다면 어떤 일이 벌어질까?
02 합성 생물체가 연구실 밖으로 유출된다면?
03 직접 나서는 사람들, 바이오 해커
04 유전 정보 유출은 더 심각하다
05 디자인된 아기

6장 나의 미래는 크리스퍼와 어떻게 연결될까?
01 크리스퍼 유전자 가위 기술의 원천 특허 소송
02 나노기술과 크리스퍼의 만남
03 인공지능(AI)과 크리스퍼의 만남
04 크리스퍼 연구자가 되려면

참고문헌

우리 몸은 수조 개의 세포로 구성되어 있고, 세포의 가장 중요한 부분은 핵입니다. 세포핵이란 이름에서 핵심적인 역할을 한다는 느낌이 풍기지요. 세포 속 핵에는 부모로부터 물려받은 유전 물질이 들어 있는데요, 바로 그 유전 물질이 DNA입니다. 유전 정보는 DNA 속에 담겨 있고, 이 DNA는 자손에게 전달됩니다. 탈모, 쌍꺼풀의 유무, 보조개의 유무처럼 DNA는 우리의 생김새, 즉 ‘형질’을 결정합니다. 만약 이 ‘형질’을 결정하는 DNA를 취향에 딱 맞게 자르고 붙이는 가위가 있다면 얼마나 좋을까요?
- 6쪽

크리스퍼 유전자 가위 기술은 얼마나 위력적일까요? 모든 생물체의 DNA에는 생명체들의 고유한 유전 정보가 들어 있습니다. 생명체들은 번식을 통해 후손들에게 DNA를 전달하지요. 이 DNA는 아데닌(adenine), 구아닌(guanine), 사이토신(cytosine), 타이민(thymine)이라는 네 가지 염기를 이용하여 유전 정보를 저장합니다. 이 염기의 배열에 따라 생물마다 다른 특성과 형태를 지니게 되는 것이죠. 크리스퍼 유전자 가위 기술은 이 염기서열들을 빠르고 정확하게 편집할 수 있습니다. 신의 영역으로 베일에 가려졌던 염기서열을 인간이 마음대로 바꿀 수 있는 마법의 가위가 나온 것이죠.
- 18쪽

인공 생명체의 활용 분야는 무궁무진합니다. 전자회로를 설계해 반도체를 만들 듯 ‘유전자 회로’를 설계할 수 있기 때문인데요. 생명 유지에 필요한 최소 기관만 가진 합성 세포를 만들고 여기에 유전자를 추가해 환경에 따라 원하는 유전자만 발현시키는 ‘스마트 식물’도 나올 수 있어요. 향수와 차세대 항생제뿐 아니라 자신의 생명 유지에 최소한의 에너지만 사용하면서 오염물질을 먹는 생물체, 에너지 자원을 생산하는 생명체도 설계할 수 있습니다. 여러분은 어떤 생물체를 만들고 싶은가요?
- 32쪽

크리스퍼 유전자 가위(CRISPR-Cas9)는 특정 DNA 염기서열에 맞는 RNA 형태의 크리스퍼를 연구실에서 만들어 카스나인에 집어넣는 방법입니다. 크리스퍼 유전자 가위는 잘라낼 염기서열로 안내하는 가이드 RNA와 RNA가 데려간 곳을 직접 자르는 카스나인으로 제작한 단백질 분자입니다. 그러므로 특정 단백질을 자르려면 그에 맞는 크리스퍼 유전자 가위를 만들어야 합니다. 컴퓨터로 문서를 편집할 때 자주 쓰는 ‘찾아 바꾸기’ 기능을 떠올려 보세요. 이 기능은 문서 분량이 많아서 특정 문자열을 찾기가 힘든 경우에 사용합니다. 이처럼 찾는 문자열과 바꿀 문자열을 합친 기능을 ‘크리스퍼 유전자 가위’의 역할이라고 이해하면 됩니다.
- 98쪽

이제 크리스퍼는 병에 저항성을 갖는 가축 개발에도 필수 도구로 활용될 수 있습니다. 해마다 우리나라 축산 농민들이 겪고 있는 아프리카 돼지 열병을 알고 있지요? 조류 독감, 소 호흡기 질병, 돼지 독감 등 많은 종류의 동물 질병이 있습니다. 가축이 돼지 열병에 걸리거나 조류 독감에 걸리면 인근의 가축 수만 마리가 살처분됩니다. 돼지고기 값도 껑충 뛰게 되지요. 이런 문제점을 해결하기 위해 과학자들은 크리스퍼 연구에 더욱 힘쓰고 있습니다. 각각의 질병의 원인이 되는 유전자를 알아낸다면 크리스퍼 기술로 가축의 질병을 치료할 수 있게 될 겁니다.
- 144쪽