인간 유전자 이식한 노예 세균이 인류를 구했습니다 (연세대학교 약학대학 김성훈 교수)

인간 유전자 이식한 노예 세균이 인류를 구했습니다

단백질의 본질 - 유전자보다 중요한 이유

우리는 유전자에 대해서는 많이 알지만, 정작 생명 활동의 실제 수행자인 단백질에 대해서는 피상적으로만 이해하고 있다. “단백질을 먹어야 한다”는 영양학적 지식이나 “계란 흰자가 단백질”이라는 상식 수준을 넘어서지 못하는 경우가 대부분이다. 그러나 단백질의 영어 명칭인 ‘Protein’은 그리스어로 “가장 중요한 것(Proto-)“과 “생명의 인자(-in)“를 합친 말로, 서양 과학에서는 이미 오래전부터 단백질을 생명의 핵심 물질로 인식해왔다.

단백질은 물처럼 단일한 물질이 아니다. 물은 H₂O라는 하나의 화학식으로 표현되지만, 단백질은 무수히 다양한 종류가 존재한다. 손톱을 만드는 단백질, 머리카락을 만드는 단백질, 근육을 구성하는 단백질은 모두 다르다. 이들을 모두 “단백질”이라고 부르는 이유는 구성 성분이 아미노산(Amino Acid)이라는 동일한 빌딩 블록으로 이루어져 있기 때문이다. 20가지 종류의 아미노산이라는 레고 블록을 어떻게 조합하느냐에 따라 무한대에 가까운 다양한 단백질이 만들어진다. 레고 블록 20종류로 배, 자동차, 건물 등 무엇이든 만들 수 수 있는 것처럼 말이다.

우리가 음식을 통해 섭취하는 단백질은 소화 과정에서 모두 아미노산으로 분해된다. 소고기든 계란이든 생선이든, 독성 단백질(보툴리눔 독소, 리신 등)을 제외하고는 모두 장에서 아미노산이라는 레고 블록으로 해체된다. 그리고 우리 몸은 이 아미노산을 재료로 필요한 단백질을 새로 조립한다. 운동을 많이 하면 몸은 “주인이 근육을 원하는구나”라고 인식하고 근육 단백질을 많이 만들어낸다. 손톱을 자주 깎으면 손톱 단백질 생산이 증가한다. 이처럼 우리 몸은 유전자의 명령에 따라 필요한 단백질을 선택적으로 합성한다.

단백질 합성에는 두 가지가 필요하다. 첫째는 아미노산이라는 재료, 둘째는 합성 과정에 필요한 에너지다. 곰탕을 끓이려면 소고기뿐만 아니라 불(에너지)도 필요한 것과 같은 원리다. 따라서 운동선수들이 단백질만 과다 섭취하는 것이 아니라 탄수화물과 지방을 통한 에너지 공급도 중요한 이유가 여기에 있다. 단백질 대신 아미노산 보충제를 섭취하면 소화 과정을 건너뛰므로 에너지 효율이 높아진다. 이미 분해된 레고 블록을 받아 바로 조립할 수 있기 때문이다.

단백질 의약품의 혁명 - 정밀 타격 미사일

현대 의약품의 60-80%는 단백질 의약품이다. 최근 전 세계를 휩쓴 비만 치료제 위고비(Wegovy) 역시 단백질(펩타이드) 기반 약물이다. 왜 단백질로 약을 만들까? 화학 합성 의약품도 효과가 있는데 말이다.

답은 “정밀성”에 있다. 작은 화학 물질 약은 소총 탄환과 같다. 백만 발을 쏘면 한 명의 적을 맞출 수 있다. 표적이 불분명하고 부작용(Off-target effect)이 많다. 반면 단백질 의약품은 미사일이다. 값은 비싸지만 한 방에 정확한 목표를 타격한다. 미사일이 크고 복잡한 이유는 유도 장치, 추진 시스템, 탄두 등 정밀 타격에 필요한 모든 구성 요소가 들어가 있기 때문이다. 단백질도 마찬가지다. 크고 복잡한 구조를 가지기 때문에 특정 질병 타깃에만 정확히 결합하고 작용할 수 있다.

단백질 의약품이 효과적인 이유는 우리 몸이 원래 단백질로 작동하기 때문이다. 호르몬(인슐린, 성장호르몬 등), 항체, 효소 등 우리 몸의 핵심 조절 물질이 모두 단백질이다. 당뇨병 환자에게 부족한 인슐린을 보충하고, 키가 자라지 않는 아이에게 성장호르몬을 투여하고, 암세포를 공격하는 항체를 투입하는 것이 모두 단백질 치료제의 원리다. 우리 몸에 원래 존재하는 물질을 보충하거나 모방하기 때문에 화학 합성 약물보다 친화적이고 부작용이 적다.

일반적인 두통이나 감기처럼 경미한 질환에는 값싼 아스피린이나 타이레놀 같은 화학 약물을 쓴다. 하지만 생명을 위협하는 중증 질환에는 비싸더라도 정밀한 단백질 의약품을 사용한다. 두 가지 약물 체계가 상호보완적으로 존재하는 것이다.

유전공학의 탄생 - 대장균을 노예로 만들다

단백질 의약품의 잠재력은 오래전부터 알려져 있었다. 1920년대 토론토 대학의 프레더릭 밴팅(Frederick Banting) 박사는 인슐린이 혈당 조절에 핵심적이라는 사실을 발견하고, 발견 1년 만에 노벨상을 받았다. 그러나 문제는 인슐린을 어떻게 대량 생산하느냐였다. 인체에서 추출할 수는 없는 노릇이었다.

궁여지책으로 도축장에서 소나 돼지의 췌장을 수거해 인슐린을 추출했다. 하지만 양이 부족했고, 동물 단백질이기 때문에 인체에서 면역 반응(항체 생성)이 일어나 약효가 떨어지는 문제가 있었다. 원리는 알았지만 약을 만들 기술이 없었던 것이다.

이 난제를 해결한 것이 유전공학(Genetic Engineering), 즉 **생명공학(Biotechnology)**이다. 생명을 공학적으로 조작한다는 발상 자체가 파격적이다. 핵심 아이디어는 이렇다: 인간의 인슐린 유전자를 대장균에 집어넣어, 대장균이 인간 인슐린을 생산하도록 강제하는 것이다.

대장균(Escherichia coli)은 당뇨병에 걸리지 않으니 인슐린을 만들 이유가 없다. 하지만 인간의 인슐린 유전자를 대장균 세포에 강제로 주입하면, 대장균은 마지못해 인슐린을 생산한다. 물론 대장균은 이를 극도로 싫어한다. 단백질 합성은 막대한 에너지를 소비하는데, 자신에게 전혀 필요 없는 단백질을 만들어야 하니 말이다. 대장균은 기회만 있으면 인간 유전자를 세포 밖으로 내뱉으려 한다. 그래서 유전공학자들은 인간 유전자를 버린 대장균을 항생제로 죽여버리는 방식으로 선별한다. 대장균 복지 관점에서는 끔찍한 일이지만, 인류는 이렇게 대장균을 “노예”로 삼아 인슐린을 대량 생산하기 시작했다.

왜 하필 대장균인가? 대장균이 단백질 생산에 최적화된 미생물이어서가 아니다. 단지 인간 장내에 서식하기 때문에 예전부터 연구가 많이 되어 있었고, “부품”이 풍부했기 때문이다. 유전공학도 공학인 만큼 표준화가 중요한데, 대장균은 이미 연구 인프라가 구축된 “국산차”와 같았다. 람보르기니(다른 희귀 미생물)가 성능은 좋을지 몰라도 부품 구하기 어렵고 정비가 까다로우니, 차라리 부품 많고 정비 쉬운 대장균을 쓰는 것이 효율적이었다.

물론 효모(Yeast) 같은 다른 미생물도 사용되지만, 압도적으로 대장균이 선호된다. 새로운 미생물을 쓰려면 그에 맞는 유전공학 도구를 처음부터 개발해야 하므로 시간과 비용이 많이 든다. 대장균은 이미 수십 년간 축적된 기술과 경험이 있기 때문에, 신약 개발 속도가 훨씬 빠르다.

유전자 조작의 기술적 디테일 - 통역과 폭력

인간 유전자를 대장균에 넣는다고 해서 자동으로 단백질이 만들어지는 것은 아니다. 여러 기술적 장벽이 있다.

첫 번째 장벽: 언어 장벽(코돈 사용 빈도 차이)

DNA는 4개의 염기(A, T, G, C)로 구성되며, 3개씩 묶인 “코돈(Codon)“이 하나의 아미노산을 지정한다. 64개의 코돈이 20개의 아미노산을 암호화하므로, 하나의 아미노산을 여러 코돈이 중복해서 지정한다. 예를 들어 루신(Leucine)을 암호화하는 코돈이 6개 있는데, 인간은 그중 1번 코돈을 선호하고, 대장균은 6번 코돈을 선호한다. 같은 루신을 만들지만 “방언”이 다른 것이다.

인간 유전자를 그대로 대장균에 넣으면, 대장균은 “사투리”를 이해하지 못해 단백질 생산 효율이 떨어진다. 따라서 인간 유전자를 대장균이 선호하는 코돈으로 “번역”해주는 작업이 필요하다. 서울 사람이 제주도 방언으로 말하면 힘든 것처럼, 유전자도 대장균 언어로 최적화해야 효율이 높아진다. 이런 세밀한 조정 기술이 이미 확립되어 있기 때문에 대장균이 계속 사용되는 것이다.

두 번째 장벽: 세포벽 통과(물리적 주입)

모든 생명체는 외부 DNA가 세포 내로 침입하는 것을 막는 방어 체계를 갖추고 있다. 외부 DNA가 들어오면 유전 정보가 교란되기 때문이다. 따라서 인간 유전자를 대장균에 “밀어 넣는” 것 자체가 폭력적인 과정이다.

대장균에 유전자를 주입하는 방법은 여러 가지가 있지만, 가장 직접적인 방법은 전기충격(Electroporation) 또는 물리적 천공이다. 세포벽을 찢고 DNA를 밀어 넣는 것이다. 식물 세포처럼 세포벽이 두꺼운 경우에는 **유전자총(Gene Gun)**을 사용한다. DNA를 금 입자에 코팅한 후 세포에 총을 쏘아 관통시키는 방식이다. 총알이 세포를 지나가는 나노초 동안 DNA가 세포 안에 남는다.

100만 마리의 대장균에 인간 DNA를 강제 주입하면, 그중 99%는 충격으로 죽는다. 하지만 과학자들은 대장균의 죽음에 눈물 흘리지 않는다. 살아남은 1%의 대장균 중에서 인간 유전자를 성공적으로 보유한 개체를 선별해 배양한다. 이것이 유전공학의 실체다. 생명을 “외과 수술” 수준으로 조작하는 것이다.

이런 발상이 처음 나왔을 때, 많은 과학자들은 “왜 나는 그 생각을 못했을까?”라고 반응했다. 모든 생명체가 공통의 유전 암호(Genetic Code)를 사용한다는 사실은 이미 알려져 있었기 때문이다. 단지 “방언” 정도의 차이만 있을 뿐이다. 따라서 개념적으로는 “코끼리를 냉장고에 넣는 방법”만큼이나 단순하다: 1) 냉장고 문을 연다, 2) 코끼리를 넣는다, 3) 문을 닫는다. 유전공학도 마찬가지다: 1) 세포벽을 찢는다, 2) DNA를 넣는다, 3) 세포가 알아서 봉합한다.

하지만 “비상식적인” 발상을 실제로 수행한 사람과 하지 않은 사람의 차이가 혁명을 만들었다. 유전공학은 1970년대 미국 샌프란시스코 베이 에리어(San Francisco Bay Area)의 “DNA Valley”에서 태동했다. 그곳의 학풍은 비교적 와일드(Wild)했고, 무모해 보이는 실험도 시도하는 분위기였다. 이노베이션은 반드시 학벌이나 지식의 양에 비례하지 않는다. 오히려 “안 될 이유”를 너무 많이 아는 사람은 시도조차 하지 않는다.

유전공학 이후의 세계 - 생명공학 산업의 폭발

1970년대 말, 인간 인슐린을 대장균에서 생산하는 데 성공한 이후, 생명공학 산업은 폭발적으로 성장했다. 21세기는 “생명공학의 시대”가 되었다. 인슐린뿐만 아니라 성장호르몬, 혈액응고인자, 항체 치료제 등 수많은 단백질 의약품이 개발되었다.

과거에는 새로운 단백질을 연구하려면 도축장에 가서 가축의 장기를 바켓(Bucket)으로 얻어와 단백질을 추출해야 했다. 1980-90년대 생명공학과 학생들은 도축장이 “단골 출입처”였다. 혈관 단백질이 필요하면 소의 혈관을, 간 단백질이 필요하면 간을 얻어왔다. 수백 킬로그램의 조직에서 몇 밀리그램의 단백질을 추출하는 고된 작업이었다.

하지만 유전공학이 발달하면서 이런 원시적 방법은 사라졌다. 이제는 필요한 단백질의 유전자 서열을 찾아 합성하고, 대장균(또는 효모, 동물세포)에 넣어 대량 생산한다. 대장균이 인슐린을 만들기 싫어하면? 항생제로 위협한다. 유전자를 버린 대장균은 죽이고, 순응한 대장균만 살려 증식시킨다. 이것이 현대 생명공학의 표준 프로세스다.

단백질 디자인의 미래 - AI와 알파폴드

유전공학은 “이미 존재하는” 단백질(예: 인슐린, 성장호르몬)을 대량 생산하는 기술이다. 하지만 인류는 한 걸음 더 나아가려 한다: 자연에 존재하지 않는, 전혀 새로운 단백질을 설계(Design)하는 것이다.

예를 들어, 특정 암세포만 공격하는 항체, 플라스틱을 분해하는 효소, 태양광을 고효율로 전환하는 단백질 등을 인공적으로 설계할 수 있다면? 이는 의학, 환경, 에너지 산업 전반을 혁명적으로 바꿀 것이다.

단백질 디자인의 핵심 난제는 구조 예측(Structure Prediction) 문제였다. 단백질의 기능은 그 3차원 구조에 의해 결정된다. 같은 아미노산 서열이라도 어떻게 접히느냐(Folding)에 따라 완전히 다른 기능을 갖는다. 마치 같은 레고 블록으로도 배를 만들 수도, 자동차를 만들 수도 있는 것처럼.

문제는 “아미노산 서열 → 3차원 구조”를 예측하는 것이 극도로 어렵다는 점이다. 역방향(구조 → 서열)은 쉽다. 단백질을 분해해서 아미노산 순서를 읽으면 된다. 하지만 순방향(서열 → 구조)은 불가능에 가까웠다. 예를 들어 “사각형 모양의 단백질을 만들어봐”라는 주문에, 20종류의 아미노산을 어떻게 배열해야 할지 알 수 없었던 것이다.

이 난제를 해결한 것이 **딥러닝(Deep Learning)**과 **알파폴드(AlphaFold)**다. 구글 딥마인드가 개발한 AlphaFold는 수십만 개의 단백질 구조 데이터를 학습해, 아미노산 서열만으로 3차원 구조를 높은 정확도로 예측한다. 2024년 AlphaFold 개발자들은 노벨 화학상을 받았다.

AlphaFold 이후, 단백질 디자인은 새로운 국면에 접어들었다. 이제는 “이런 모양, 이런 기능의 단백질이 필요해”라고 주문하면, AI가 그에 맞는 아미노산 서열을 설계해준다. 자연계에 존재하지 않는 단백질도 합성할 수 있다. 향후 10년 내에 **완전 합성 단백질(De novo Protein Design)**이 상용화될 것으로 예상된다.

이는 단순히 의약품에만 국한되지 않는다. 생분해성 플라스틱, 고효율 태양전지, 탄소 포집 효소 등 환경 문제 해결에도 단백질이 핵심 역할을 할 수 있다. 식물은 엽록소(단백질 복합체)로 광합성을 하는데, 인공 엽록소를 디자인하면 태양광 에너지를 훨씬 효율적으로 활용할 수 있다. 단백질로 만들 수 없는 물질은 거의 없다. 이것이 “단백질 혁명”의 본질이다.

질병의 본질 - 단백질의 과잉, 결핍, 변성

모든 질병은 단백질의 불균형에서 비롯된다고 해도 과언이 아니다. 건강한 상태란 단백질들이 **최적점(Optimum)**에서 균형을 이루는 상태다. 너무 많거나 적으면 질병이 된다.

• 인슐린 부족 → 당뇨병
• 성장호르몬 부족 → 성장 장애
• 면역 과잉 → 자가면역질환, 염증
• 면역 결핍 → 감염 취약

심지어 상처가 아무는 과정도 단백질의 과잉 반응이다. 피부가 찢어지면 콜라겐 등의 단백질이 몰려와 빠르게 봉합한다. 하지만 너무 과도하게 반응하면 흉터(섬유화)가 남는다. 상처 없이 매끈하게 아물려면 “딱 필요한 만큼만” 단백질이 작용해야 하는데, 우리 몸은 급한 대로 과잉 대응하는 경향이 있다.

치료의 원리도 간단하다:

• 부족하면 보충 (인슐린, 성장호르몬 투여)
• 과잉이면 억제 (염증 억제제, 면역억제제)
• 변성되면 제거 (항체를 이용한 암세포 제거)

하지만 가장 어려운 질병은 단백질 변성(Protein Misfolding) 관련 질환이다. 알츠하이머, 파킨슨병이 대표적이다. 이들 질환에서는 특정 단백질이 잘못 접혀(Misfolded) 응집체(Aggregates)를 형성한다. 아미노산 구성은 정상이지만, 3차원 구조가 망가진 것이다.

비유하자면, 날계란을 프라이팬에 과열하면 하얗게 응고되는 것과 같다. 아미노산은 그대로지만, 열변성(Denaturation)으로 구조가 펴져버려 물에 녹지 않는 고체가 된다. 이렇게 변성된 단백질을 다시 원래 상태로 되돌리는 것은 “탄 계란을 생계란으로 되돌리는 것”만큼이나 어렵다. 온도를 낮춘다고 다시 투명해지지 않는다. 이것이 치매 치료제 개발이 극도로 어려운 이유다.

생명의 기원 - 닭이 먼저냐, 달걀이 먼저냐

단백질이 먼저 생겼을까, 유전자(DNA/RNA)가 먼저 생겼을까? 이는 생명과학의 가장 오래된 수수께끼 중 하나다.

• 단백질 우선설: 생명 활동의 실제 수행자는 단백질(효소)이다. 유전자를 복제하는 것도 효소(단백질)가 한다. 따라서 단백질이 먼저 존재해야 한다.
• 유전자 우선설: 단백질을 만들려면 설계도(유전자)가 필요하다. 따라서 유전자가 먼저 존재해야 한다.

현재 가장 유력한 가설은 **RNA 월드 가설(RNA World Hypothesis)**이다. RNA는 유전 정보를 저장할 수도 있고(DNA처럼), 효소 역할을 할 수도 있다(단백질처럼). 따라서 초기 생명체는 RNA가 두 가지 역할을 모두 수행하다가, 점차 DNA(정보 저장)와 단백질(기능 수행)로 분화했을 것이라는 설명이다.

아미노산의 기원에 대해서도 여러 가설이 있다:

• 밀러-유리 실험(Miller-Urey Experiment, 1953): 원시 지구 대기(메탄, 암모니아, 수소, 수증기)에 번개(전기 방전)를 가하자 아미노산이 합성되었다.
• 외계 기원설: 운석(혜성)에서 아미노산(글리신 등)이 발견되었다. 지구 생명의 재료가 우주에서 왔을 가능성.

하지만 이 모든 것은 아직 “가설” 수준이다. 생명의 기원은 여전히 미해결 난제로 남아 있다.

맺음말 - 단백질이 여는 미래

단백질은 단순한 영양소가 아니다. 생명의 모든 기능을 수행하는 “실행자(Executor)“다. 유전자는 설계도에 불과하며, 실제로 일을 하는 것은 단백질이다. 베토벤의 교향곡 악보가 아무리 훌륭해도, 연주자가 없으면 소리가 나지 않는 것과 같다.

20세기 후반 유전공학의 등장으로, 인류는 단백질을 “설계도대로” 대량 생산할 수 있게 되었다. 대장균이라는 미생물을 강제로 노예 삼아, 인간에게 필요한 인슐린, 항체, 호르몬을 만들어냈다. 21세기 초 AI의 등장으로, 이제는 자연에 존재하지 않는 단백질까지 설계할 수 있게 되었다.

앞으로 10년 내에 우리는 상상하는 모든 기능의 단백질을 합성할 수 있을 것이다. 암을 정밀 타격하는 미사일 항체, 플라스틱을 먹어치우는 효소, 탄소를 포집하는 단백질, 고효율 태양광 단백질 등. 단백질 혁명은 의학을 넘어 환경, 에너지, 소재 산업 전반을 바꿀 것이다.

생명의 비밀은 유전자가 아니라 단백질에 있다. 유전자는 과거를 기록하는 도서관이지만, 단백질은 현재를 살아가는 연주자다. 우리는 이제 그 연주자를 이해하고, 훈련시키고, 심지어 새로 창조할 수 있는 시대에 살고 있다.