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[바이오 신기술] 멸종된 메머드의 복원에 관한 논란
생명과학 땡칠이닥터 (2017-10-11 10:21)

메머드 복원 연구의 시작

우리나라 수암생명공학연구원과 러시아 극동연방대학 연합 연구팀이 메머드 복제 연구 프로젝트를 공식적으로 착수한 것은 2013년 5월의 일이었다. 동토(凍土)인 러시아 시베리아의 한 동굴에서 메머드로 추정되는 조직을 직접 채취하여 국내로 가져왔다. 채취된 조직은 수천 년 된 조직치고는 보존 상태가 꽤 좋았던 것으로 알려졌다. 하지만 보존 상태가 좋았다는 것은 어디까지나 외관상태에 대한 평가였고 그 조직에서 살아 있는 세포를 추출할 수 있을지, 유전자가 변형 없이 유지되어 있는지 여부는 아무도 알 수 없었다. 메머드 추정 조직에서 세포를 배양하는 실험이 반복 진행되었지만 살아있는 세포 추출은 아직 성공하지 못하고 있었다. 그도 그럴 것이 냉동상태에서는 조직이 오랫동안 보존될 수 있다고 하지만 그것은 온도가 매우 낮으면서 일정하게 유지될 때의 일이고 온도가 조금씩이라도 오르락 내리락 계속 변한다면 조직은 조금씩 파괴되어서 세포 안에 들어 있는 유전자가 손상을 입게 되어 정상적인 세포로서의 기능을 갖기 어렵게 된다. 하지만 경우에 따라서는 땅속 깊은 곳에 온도의 변화가 크지 않은 곳에 보존되어 있는 조직도 있을 수 있기 때문에 실낱 같은 희망을 갖고 연구를 수행했던 것으로 보인다.

동토(凍土)인 러시아 시베리아의 한 동굴에서 메머드로 추정되는 조직을 직접 채취하고 있는 모습. 이 내용은 여러 언론 매체를 통해 국내에 여러 번 공개되었다

Figure 1. 동토(凍土)인 러시아 시베리아의 한 동굴에서 메머드로 추정되는 조직을 직접 채취하고 있는 모습. 이 내용은 여러 언론 매체를 통해 국내에 여러 번 공개되었다.

세포배양에 계속 실패하자 수암생명공학연구원은 2015년 3월, 제주대에도 샘플을 보내 세포 배양을 각각 진행했다. 아마도 세포 분리 성공 확률을 높이기 위한 조치였을 것이다. 제주대로 샘플을 보낸 지 한달 만인 2015년 4월, 제주대에서는 메머드 조직에서 체세포를 분리해 배양에 성공했다는 소식을 전했다. 이게 사실이라면 아무리 못해도 최소 3천년 전에 멸종한 것으로 추정되는 동물을 복원할 수도 있는, 정말 엄청난 연구결과임에 틀림이 없었다. 엄청난 결과인 만큼 검증 작업도 필요해서 제주대는 국외 유전자 분석 기관 한 곳과 국내 유전자 분석 기관 한 곳에 각각 샘플을 보내 오래 전 멸종한 메머드의 조직이 맞는지 여부를 확인했다.
이때의 결과는 놀랍게도 수천 년 전에 멸종한 메머드의 조직이 맞다는 분석이 나온 것으로 알려졌다. 국외, 국내 유전자 분석 기관은 어떻게 해당 샘플이 최소 수 천년 전에 멸종한 메머드의 조직이 맞다고 판정할 수 있었을까? 이 부분을 한 걸음 좀더 들어가 보자.

화석화된 맘모스 조직에서 유전자 분석하기

화석화된 생물의 조직에서 유전자를 추출해서 분석하고자 하는 노력은 훨씬 이전부터 있어왔다. 1908년부터 메머드의 시료는 발견되었고 유전자 검출 시도도 아울러 진행되었다. 놀라운 것은 최대 5만년 이상, 최소 9,700년 이상 지난 샘플임에도 불구하고 일부 시료에서 유전자가 추출되는 시료가 발견되었다. 시베리아와 같은 영구동토 지역이라면 백만 년까지도 유전자가 남아있을 수 있을 것으로 추정되었다. .

 지금까지 발견된 중요 맘모스 조직 샘플들. 조직들의 연대를 분석해 보니 최소 9,700년 된 조직으로 부터 최대 5만년 된 조직들이 발견되었다

Figure 2. 지금까지 발견된 중요 맘모스 조직 샘플들. 조직들의 연대를 분석해 보니 최소 9,700년 된 조직으로 부터 최대 5만년 된 조직들이 발견되었다 (Hoss, Paabo et al. 1994). 양성 (positive)으로 표시된 것은 DNA 유전자가 추출된 샘플을 의미한다.

유전자가 검출되기는 했지만 그렇다고 양성시료가 모두 전체 유전자를 분석할 만한 수준으로 양호한 유전자를 포함하고 있는 것은 절대 아니었다. 오래 전에 사망한 동물의 사체는 미생물에 의해서도 분해가 되고 산화과정, 유전자 염기서열의 절단, 가수분해 등을 통해서 대부분 100~500 bp 수준으로 잘게 쪼개진 상태로 발견되었다 (Pääbo, Poinar et al. 2004). PCR 방법 등으로 조각난 DNA를 시퀀싱 하거나 시퀀싱된 DNA 염기서열을 근거로 메머드의 조직이 맞다는 분석은 할 수 있었겠지만 전체 유전자를 복원하는 일은 매우 확률이 낮은 일로 간주되었다. 그래서 영화 ‘쥬라기공원’에서의 과학자들은 화석이 아니라 공룡의 피를 빨고 송진이 굳어질 때 우연히 송진 속에 들어가 오랜 기간이 지나 호박이라는 보석으로 변형된 모기의 혈액 성분을 채취하여 공룡을 복원하는 것으로 스토리를 완성했다. 화석보다는 유전자가 좀더 잘 보존되어 있을 거라는 믿음에 근거한 설정인 것이다. 수천, 수만년 전에 사망한 동물의 화석에서 작은 크기지만 유전자가 검출된다는 것 자체는 공상과학 영화에도 다뤄질 만큼 매우 흥미로운 일이었던 것이다. 

송진이 변형되어 만들어지는 보석, 호박 안에 갇힌 모기. 영화 쥬라기공원은 공룡의 피를 빤 모기의 혈액에서 공룡의 유전자를 복원, 다시 공룡을 만드는 설정으로 되어 있다

Figure 3. 송진이 변형되어 만들어지는 보석, 호박 안에 갇힌 모기. 영화 쥬라기공원은 공룡의 피를 빤 모기의 혈액에서 공룡의 유전자를 복원, 다시 공룡을 만드는 설정으로 되어 있다.

다시 메머드로 돌아가서 지금까지 발견된 시료 중 가장 보존 상태가 좋은 메머드 샘플은 러시아의 Taimyr 반도의 Khatanga 지역 얼음 동물에서 발견되었다 (Poinar, Schwarz et al. 2006). 해당 지역은 낮 최고기온 조차 6월부터 8월까지 겨우 3개월 정도만 영상의 기온이고 나머지 기간 동안은 늘 영하의 날씨인 데다가 최저 온도는 일년 내내 영하 3도 이하라서 수만 년 전에 죽은 동물이라도 시료에 따라 유전자 분석이 가능할 수도 있는 조건을 가지고 있었다. 시료에 대한 유전자 시퀀싱 결과, 평균 95 bp 정도 크기로 읽혀진 302,692개의 유전자 조각이 얻어져 총 28백만 bp의 유전정보를 얻을 수 있었다. 해당 시료의 원래 주인은 27,740 ± 220년 범위 내에서 생존하고 있던 것으로 추정되었다. 302,692개로 이루어진 유전자 조각을 데이터베이스에 있는 기존 유전자들과 비교 분석을 해보니 추출한 유전자 조각 중 45.4%에 해당하는 유전자 조각들이 아프리카 코끼리의 유전자와 유사하다는 것을 알 수 있었다. 좀더 자세히 기술해 보면 30.0% 해당하는 90,507개의 유전자 조각들은 95% 이상의 유사도를 보였고 7.3%에 해당하는 21,952개의 유전자 조각은 코끼리 유전자와 100% 일치 하였다. 결과적으로 28백만 bp 크기의 유전자를 통해 긴 코를 가진, 코끼리와 매우 닮았지만 오래 전 멸종되어 실물을 한번도 보지 못한 상상 속 동물 메머드가 실제로 코끼리와 유사한 유전형질을 가진 동물임이 밝혀지는 순간이었다. 
 

메머드로부터 시퀀싱한 302,692개의 유전자 조각을 아프리카 코끼리, 사람, 그리고 개의 유전자와 비교한 결과

Figure 4. 메머드로부터 시퀀싱한 302,692개의 유전자 조각을 아프리카 코끼리, 사람, 그리고 개의 유전자와 비교한 결과. 메머드 추정 시료의 DNA 조각 중 45.4%가 아프리카 코끼리 유전자와 유사했는데 그 중 30.0%에 해당하는 90,507개의 유전자 조각은 95% 이상의 유사도를 보였고 7.3%에 해당하는 21,952개의 유전자 조각은 아프리카 코끼리의 유전자와 100% 일치했다 (Poinar, Schwarz et al. 2006).

하지만 이러한 놀라운 성과도 메머드 전체 유전자의 확보와는 너무나 거리가 먼 것이었다. 시베리아에 보존되어 있던 시료 중에 온전한 유전자를 가진, 복원이 가능한 세포가 있었다면 유전자의 크기는 수 기가 bp (Gbp) 수준의 유전자가 수집되었을 것이다. 과학자들은 어떻게 하면 고대 동물의 유적으로 부터 유전자를 추출해서 분석할 수 있을까를 고민했다. 왜냐하면 화석에 들어 있는 동물 골격의 형태학적인 비교만으로 고고학적인 증거로 삼기에는 부족한 부분이 많았기 때문이다.
오랜 연구와 실험 덕분에 뼈에서 유전자가 검출하는 방법이 개발되면서 좀더 객관적이고 수학적으로 계산이 가능한 증거들이 나오기 시작했다. 그러나 뼈에서 유전자를 추출하는 방법 역시 금방 한계에 부딪혔다. 워낙 유전자의 손실이 컸던 것이다. 이러한 어려움은 털에서 유전자를 추출하는 방법이 개발되면서 극적으로 극복되었다.

털은 유전자를 안전하게 보관하는 용기

2007년 사이언스지에 아주 놀라운 논문이 한 편 실렸다. 바로 고대동물의 털에서 유전자를 채취하여 분석하는 방법에 관한 것이었다. 하지만 털이 처음부터 유전자 채취의 대상으로 주목 받은 것은 아니었다. 비교적 최근까지도 털 자체 보다는 모근이 더 좋은 샘플로 간주되었다. 과학자들의 끈질기고 반복적인 연구 덕분에 유전자 검사 대상으로서의 털의 장점들이 속속 밝혀지기 시작했다. 털은 기본적으로 케라틴을 주성분으로 하는 죽은 세포로서 다른 조직에 비해서 DNA 양이 많지 않다. 하지만 유전자 추출 과정은 뼈에서 추출하는 것보다 유전자 손상이 적을 뿐만 아니라 다른 DNA에 의한 오염이 적다는 장점이 있었다 (Gilbert, Tomsho et al. 2007).

메머드의 털로부터 유전자를 채취한 것과 근육이나 뼈에서 추출한 유전자와의 비교

Figure 5, 메머드의 털로부터 유전자를 채취한 것과 근육이나 뼈에서 추출한 유전자와의 비교. 시료중에는 5만년 전 메머드의 시료도 포함되어 있었을 뿐만 아니라 발견 후 200년 가까이 박물관에 전시되어 있던 샘플에서 채취된 데이터도 있었다 (Gilbert, Tomsho et al. 2007).

털에서 유전자를 채취하는 기술이 확보되고 때마침 개선된 대용량 시퀀싱 기술의 발달로 2008년에는 미토콘드리아 DNA가 아닌 전체 게놈에 대한 시퀀싱 데이터가 확보되었다. 추출된 전체 게놈 사이즈는 4.7 기가 베이스페어 (Giga basepair), 추정된 전체 염색체 개수는 23쌍, 아프리카 코끼리와의 유전자 일치도는 99.41%로 이 정도 차이는 인간과 침팬지의 차이 정도로 평가되었다 (Miller, Drautz et al. 2008).

메머드 추정 조직으로부터 추출된 전체 게놈 사이즈는 4.7 기가바이트, 추정된 전체 염색체 갯수는 23쌍, 아프리카 코끼리와의 유전자 일치도는 99.41%로 이 정도 차이는 인간과 침팬지의 차이 정도로 평가되었다

Figure 6. 메머드 추정 조직으로부터 추출된 전체 게놈 사이즈는 4.7 기가 베이스페어 (Giga basepair), 추정된 전체 염색체 갯수는 23쌍, 아프리카 코끼리와의 유전자 일치도는 99.41%로 이 정도 차이는 인간과 침팬지의 차이 정도로 평가되었다 (Miller, Drautz et al. 2008).

추출된 4.7 기가 베이스페어 (Giga basepair)의 유전자를 코끼리 유전자와의 비교를 해보니 추출된 유전자의 약 80% 정도가 메머드 유래 유전자임을 알 수 있었다. 코끼리라는 현존하는 매우 유사한 동물이 있었기 때문에 쉽게 유전자의 분석을 진행할 수 있었겠지만 그럼에도 불구하고 70% - 80% 정도의 유전자밖에 찾지 못한 셈이다. 결국 여러 가지 메머드의 조직으로 유전자를 찾아서 빠진 유전자 부분을 계속 보완하고 있지만 아직 완전한 메머드 게놈 전체를 복구하지 못한 상태이다. 유전자 조차 완벽하게 복원이 안되었는데 세포배양이 가능한, 완전한 형태의 세포가 수천, 수만년의 세월을 견디고 남아있을 가능성은 어쩌면 생기지 않을 정도로, 매우 낮은 확률의 일일지도 모르겠다. 그럼에도 불구하고 제주대에서 메머드의 세포 배양에 성공했다는 뉴스가 나왔기 때문에 필자를 포함한 많은 생명공학자들은 놀라지 않았을 수 없었다. 그런데 이로부터 약 10개월 뒤인 2016년 2월, 대한민국 검찰이 발표한 내용은 많은 과학자들을 멘붕에 빠트리기에 충분한 내용이었다. DNA 분석 결과 시료가 생쥐 (mouse) 유전자로 나왔던 것이다. 워낙 사안이 사안인지라 대검찰청 분석 부서는 민간 검증기관 두 곳에도 복수로 확인을 했기 때문에 확실한 내용이라고 덧붙였다. 마우스 유전자가 나온 이유에 대해 제주대는 시료가 잘못 전달되었기 때문이라고 해명했다. 발생하기 어려운 일이지만 불가능한 일은 아니기 때문에 제대로 된 시료를 다시 보내서 검정을 받으면 될 것으로 생각했다. 그러나 메머드의 시료를 다시 보내는 것은 불가능했는데 그 이유는 메머드의 시료가 남아 있지 않았기 때문이고 메머드 시료가 남아있지 않은 이유는 진행된 연구가 적법하지 못한 경로로 들어온 메머드 조직으로 진행된 연구라서 국제적으로 인정받을 수 없기 때문에 자체적으로 폐기했다고 해명했다. 이 일은 약 2개월 전에 이슈가 되었으나 여러 이슈로 덮여져

현재로는 언론에서도 과학계에서도 아무도 관심을 가지고 있지 않은 것 같다. 그러나 필자는 이 일이 우리 과학계에 매우 중요한 일이라고 생각하며 그냥 해프닝이라고 덮기에는 우리 생명공학계에 큰 영향을 주고 있다고 생각한다.

EPILOGUE

진실은 해당기관이 아닌 이상 외부에서 정확히 알기는 어렵다. 설령 일부를 안다고 해도 연구를 수행한 당사자가 밝힌 내용을 듣는 사람들이 맘대로 판단하고 옳고 그름을 함부로 논할 수는 없는 노릇이다. 다만 필자의 짧은 소견으로는 이번 연재를 통해 장황히 설명한 것처럼 수천, 수만년 전에 멸종한 메머드의 체세포를 복원 일은 시료의 합법적 도입과는 별개로 엄청난 연구성과 임에 틀림이 없는 일이다. 제주대에서 오래 전에 밝힌 것처럼 정말 메머드 조직으로부터 세포가 복원되었다면 관련 학문 발전을 위해 어떤 과정을 거쳤는지를 밝혔으면 좋겠고 혹시라도 폐기하지 않은 시료가 있다면 한번 더 검증을 거쳐 사실 여부를 알렸으면 좋겠다. 그 이유는 이번 사건이 한국 과학계에도 워낙 중요한 일이고 복원된 메머드의 세포는 인류 과학사에 너무 중요한 일이 될 수 있기 때문이다. 이도 저도 아니라면 최소한 어떤 일이 있었는지 객관적인 사고를 가지고 있는 과학자들이 이해할 수 있는 과학이라는 언어를 통해 사건의 정황을 정확히 밝히는 일이라도 진행되었으면 좋겠기에 이미 이슈가 아닌 일을 다시 재조명 해보았다.


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2편 - 매일 하루에 2333억개의 적혈구를 만들어내는 줄기세포 (2)/ 생각보다 일찍 시작된 혈구에 대한 연구 / 100년전 발견된 혈액에서의 줄기세포 (stem cell)라는 개념을 생각해낸 100년전 과학자 알렉산더 A. 막시모프 (2016년 8월 17일 연재)

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참고문헌

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Hoss, M., S. Paabo and N. Vereshchagin (1994). "Mammoth DNA sequences." Nature 370(6488): 333-333.

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Pääbo, S., H. Poinar, D. Serre, V. Jaenicke-Després, J. Hebler, N. Rohland, M. Kuch, J. Krause, L. Vigilant and M. Hofreiter (2004). "Genetic analyses from ancient DNA." Annu. Rev. Genet. 38: 645-679.

Poinar, H. N., C. Schwarz, J. Qi, B. Shapiro, R. D. MacPhee, B. Buigues, A. Tikhonov, D. H. Huson, L. P. Tomsho and A. Auch (2006). "Metagenomics to paleogenomics: large-scale sequencing of mammoth DNA." science 311(5759): 392-394.

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수의학박사, 주요 연구분야는 바이러스 유래 유전자 재조합 단백질, 이종이식 동물개발,  2016년부터 뜻한 바가 있어 어려운 바이오, 산업동물, 수의학 관련 학술 정보를 이해하기 쉬운 정보로 만들어 공유하는 일을 하고 있습니다. 
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