- 생명 공학 기술의 원리와 실제 사례
생명 공학 분야의 활용 분야
(1) 농업 분야: 질병에 걸리지 않는 옥수수와 감자 생산
(2) 의약 분야: 질병을 예방하기 위한 백신 연구와 질병을 치료하기 위한 의약품 개발
(3) 식품 분야: 식품 안전성, 유전자 검사를 통한 원산지 관리
(4) 환경 분야: 식물체와 가축 노폐물을 이용한 바이오 에너지, 유용한 미생물 개발
(5) 기타 분야: 화학 공정, 유전 정보, 의료기기, 한의학 등
- 조직 배양 기술
조직 배양 기술
(1) 생물의 조직이나 세포 일부를 떼어 내어 인공적인 환경에서 증식하는 기술
(2) 식물의 무성 생식 방법 중 하나이며, 부모의 우수한 형질을 그대로 물려받을 수 있다.
(3) 사람의 암세포를 활용한 세포 배양 기술도 조직 배양 기술 중 하나이다.
- 식물 조직 배양 기술
(1) 식물의 분열 조직을 무균 상태의 인공 배지에서 배양하는 기술
(2) 분열 조직에서 만들어진 캘러스는 모든 세포로 분화할 수 있는 능력을 가진다.
(3) 캘러스에서 만들어진 새로운 식물체는 어버이와 똑같은 형질을 가진다.
(4) 우수한 식물의 대량 생산 및 번식 능력이 약한 식물을 인공적으로 증식 때 사용한다.
(5) 식물 조직 배양 기술을 이용하면 질병에 걸리지 않는 모종을 대량으로 생산 가능하다.
- 동물 세포 조직 배양 기술
(1) 동물 세포를 생명체가 아닌 영양분이 풍부한 인공 배지에서 배양하는 기술
(2) 동물 세포의 구조와 세포 소기관의 기능을 밝히는 연구에 활용한다.
(3) 호르몬이나 항체 생산에 조직 배양 기술을 활용한다.
(4) 동물의 체세포는 동물의 모든 기관으로 분화할 수 있는 능력을 가지고 있지 않아 개체로 발달하지는 않는다.
(5) 동물 조직 배양 기술을 이용하면 면역 세포를 실험실에서 배양해서 암 치료에 활용할 수 있다.
핵치환 기술
(1) 세포에서 핵을 제거하고, 이 세포에 다른 세포의 핵을 이식하는 기술
(2) 복제 세포 또는 복제 동물을 만들 때 필요한 생명 공학 기술이다.
(3) 복제된 배아를 이용하면 복제 배아 줄기세포로 얻을 수 있다.
핵치환으로 배아 줄기세포 만드는 과정
(1) 난자 핵을 체세포 핵으로 치환한 수정란을 만든다.
(2) 발생 중인 초기 배아 세포를 실험실에서 배양한다.
(3) 배반포서 얻은 내세포괴를 이용하면 배아 줄기세포를 얻을 수 있다.
※내세포괴: 배반포 안쪽에 있는 세포들의 덩어리로, 이 세포들은 세포 분열과 분화를 거쳐 배아를 형성한다. 내세포괴의 세포를 배반포로부터 분리하여 특정한 환경에서 배양하면, 더 이상 분화는 일어나지 않지만, 분화할 수 있는 능력을 가지고 있는 배아 줄기세포를 얻을 수 있다.
- 줄기세포
다양한 세포와 조직으로 분화할 능력을 가진 미분화 세포로 배아 줄기세포, 성체 줄기세포, 유도 만능 줄기세포로 구분할 수 있다.
(1) 배아 줄기세포
– 초기 발생 단계에서 유래된 세포
– 몸에 존재하는 모든 종류의 세포로 분화할 수 있는 능력이 있다.
– 생명체로 발생이 가능하므로 이용 과정에서 사회적 문제가 발생하고 있다.
(2) 성체 줄기세포
– 성체의 거의 모든 장기나 조직에 소량으로 존재
– 조직이나 기관의 유지와 재생 기능을 담당한다.
– 신경 줄기세포, 조혈 줄기세포, 간엽 줄기세포, 피부 줄기세포 등으로 나눌 수 있다.
(3) 유도 만능 줄기세포
– 체세포에 역분화 유전자를 삽입하여 만든 줄기세포
– 체세포에서 만든 줄기세포이므로 윤리적 문제에서 다소 자유롭다.
※ 유도 만능 줄기세포(induced Pluripotent Stem Cell, iPS cell/iPSC): 다능성이 없는 사람의 피부 세포와 같은 체세포에 역분화를 일으켜 배아 줄기세포와 같은 다능성을 갖는 줄기세포를 말한다.
- 줄기세포를 이용한 맞춤형 치료: 신경 손상과 다양한 난치병에 줄기세포 이용
(1) 체세포 복제 배아 줄기세포를 이용한 치료: 무핵의 난자에 환자의 체세포 핵을 치환한 후 실험실에서 배양한 복제 배아 줄기세포를 이용하기 때문에 면역 거부 반응이 거의 없고, 다양한 세포로 분화할 수 있다는 점에서 큰 장점이 있는 치료 방법이다.
(2) 성체 줄기세포를 이용한 치료: 골수나 탯줄 혈액에 있는 조혈 줄기세포를 배양하여 각종 혈구 세포로 분화시킨 후 백혈병 환자에게 이식시키는 방법이다. 성체 줄기세포는 모든 세포로 분화되기보다는 일부 세포로만 분화할 수 있는 분화 능력을 가지고 있다.
(3) 유도 만능 줄기세포를 이용한 치료: 체세포에 역분화 유전자를 삽입하여 체세포를 줄기세포로 바꾸는 기술로, 배아을 이용하지 않고도 다양한 세포로 분화할 수 있는 줄기세포를 만들 수 있다는 장점을 가지고 있다.
※ 유도 만능 줄기세포를 만들 때 필요한 유전자: 체세포를 줄기세포로 만들기 위해서는 역분화를 일으키는 전사 인자를 암호화하는 유전자를 주입하며 Oct 3/4, Sox2, c-MYC, Klf4 등이 있다.
- 유전자 치료
유전자 치료
(1) 결함이 있는 유전자를 가진 사람을 치료하는 방법
(2) 유전자 운반체를 이용하여 정상 유전자를 삽입하는 기술
(3) 정상 유전자가 결함이 있는 유전자를 대체하거나 삽입한 유전자가 치료 단백질 생산
유전자 치료 방법
유전자 이상이 있는 골수 세포에 정상 유전자를 재조합한 DNA를 가진 바이러스를 유전자 운반체로 하여 환자의 골수 세포에 감염시킨다. 재조합된 바이러스의 DNA가 환자의 골수 세포의 DNA에 끼어 들어가면서 정상 유전자를 가진 골수 세포가 된다. 이 세포를 선별하여 환자에게 주사하면 환자는 정상 유전자를 가진 골수 세포를 가질 수 있다.
- 세포 융합 기술
세포 융합 기술
(1) 서로 다른 두 종류의 세포를 하나로 융합하는 기술
(2) 두 세포가 원래 가지고 있는 성질을 모두 가진 세포를 만드는 기술
(3) 단일 클론 항체 제작에 활용한다.
(4) 교배가 불가능한 두 식물 세포를 융합하여 새로운 식물의 육종에 활용한다.
단일 클론 항체: 하나의 항원 결정기에만 항체 반응을 하는 항체
(1) 항체를 생산하는 B 림프구와 암세포를 세포 융합하여 융합 세포를 얻는다.
(2) 각각의 융합 세포를 따로 배양하여 단일 클론 항체를 얻는다.
(3) 단일 클론 항체 생산 방법
– 쥐에게 항원을 주입하고 지라를 떼어내 항체를 생산하는 B 림프구를 얻은 후 완전 배지에서 B 림프구와 암세포를 융합하여 융합 세포를 얻는다.
– 선택 배지에서 15일 이상 배양하면 선택 배지에서 생존할 수 없는 암세포와 수명이 10일 정도인 B 림프구가 제거되고 융합 세포만 선별할 수 있다.
– 각기 다른 항체를 만드는 잡종 세포를 분리하여 원하는 항체를 생산하는 잡종 세포만 선별한 후 증식하면 단일 클론 항체를 얻을 수 있다.
- 단일 클론 항체의 활용
(1) 임신 테스트기
– 임신 테스트기는 임신 호르몬인 hCG와 결합하는 단일 클론 항체를 이용한다.
– 임신 테스트기에 hCG 단일 클론 항체를 붙이고, hCG와 결합 여부를 확인한다.
- 생명 공학 기술을 이용한 난치병 치료
(1) 줄기세포의 연구는 신경 퇴행성 질환과 신경 손상 치료에 대한 치료법 연구에 큰 도움이 되고 있다.
(2) 단일 클론 항체를 이용한 표적 치료제가 개발되었다.
- 유도 만능 줄기세포(induced Pluripotent Stem Cell, iPS cell/iPSC)
다능성(배가 발생하는 도중에 그 일부가 다른 형태로도 형성될 수 있는 능력)이 없는 성인의 피부 세포와 같은 체세포에 역분화를 일으키는 4가지 특정 유전자를 도입한 후 발현시키거나, 역분화를 일으키는 4가지 유전자가 도입된 세포에서 만들어진 역분화 유도단백질을 추출하여 이를 다시 체세포에 주입함으로써 배아 줄기세포와 같은 다능성을 갖게 되는 줄기세포를 말한다.
- 세포의 역분화를 일으키는 4가지 유전자
일본 교토대 야마나카 신야 교수팀은 레트로바이러스(retrovirus)를 이용하여 생쥐의 피부 섬유 아세포에 Oct3/4, Sox2, c-Myc, Klf4 유전자를 도입시켜 유도 만능 줄기세포를 만들었고, 야마나카 신야 교수팀은 이 4가지 유전자만 도입해도 체세포에 만능성을 유도할 수 있음을 실험으로 밝혔다.
- 바이오 의약품의 정의
사람이나 다른 생명체에서 유래된 것을 재료로 만든 의약품으로 ‘생물학적 제제, 유전자
재조합 의약품, 세포 배양 의약품, 세포 치료제, 유전자 치료제, 기타 식품의약품안전처
장이 인정하는 제제를 포함한다.
① 생물학적 제제
생명체에서 유래된 물질이나 생명체를 이용하여 생성시킨 물질을 함유한 의약품으로서 물리적·화학적 시험만으로는 그 역가와 안전성을 평가할 수 없는 백신, 혈액 분획 제제, 항독소 등을 말한다.
② 유전자 재조합 의약품
유전자 재조합 기술을 이용하여 제조되는 펩타이드 또는 단백질 등을 유효 성분으로 하는 의약품을 말한다.
항체 의약품, 펩타이드 또는 단백질 의약품, 세포 배양 의약품 등을 포함한다.
④ 항체 의약품
유전자 공학 기술을 활용해 만든 항체를 활용해 질병의 원인 물질만을 표적으로 치료하는 의약품을 말한다.
⑤ 세포 치료제
살아 있는 자가·동종·이종 세포를 체외에서 배양·증식하거나 선별하는 등 물리적·화학적·생물학적 방법으로 조작하여 제조하는 의약품이다. 다만, 의료 기관에서 자가 또는 동종 세포를 수술이나 처치 과정에서 안정성 문제가 없는 최소한의 조작만을 하는 경우는 제외한다.(생물학적 특성이 유지되는 범위에서 단순 분리, 세척, 냉동, 해동 등)
⑥ 유전자 치료제
질병 치료 등을 목적으로 인체에 투입하는 유전 물질 또는 유전 물질을 포함하고 있는 의약품을 말한다.
< 출처: 식품의약품안전처 생물학적 제제 등의 품목허가심사 규정 고시 >
생명 공학 기술의 발달과 문제점
- 유전자 변형 생물(LMO)
유전자 변형 생물(LMO)
(1) 다른 생물의 유용한 유전자를 도입하고 그 유전자가 그 유전자가 발현되도록 조작한 생물을 유전자 변형 생물이라고 한다.
(2) 유전자 변형 생물의 예
– 무르지 않는 토마토: 무르게 하는 유전자 발현을 억제하는 유전자 삽입
– 해충 저항성 옥수수: 해충에게 치명적인 독성 물질을 만드는 유전자 삽입
LMO가 우리 생활에 미치는 긍정적인 영향
(1) 식량 문제 해결: 병충해에 강하고, 높은 생산량을 가진 LMO
(2) 의약품 생산: 호르몬, 항체를 생산하는 LMO
우리나라에서의 LMO
(1) 시험 재배를 제외한 LMO 작물의 재배 금지
(2) 사료와 식품의 원료로 사용되는 LMO 작물 수입
우리 생활 속의 LMO
다양한 목적으로 이용되는 LMO
(1) 초기에는 식량 생산성을 증가시키기 위한 목적으로 개발된 LMO
(2) 유용한 의약품 생산을 목적으로 이용되는 LMO
(3) 관상용으로 개발된 LMO 예) 형광 물고기
LMO로 인해 발생하는 문제점
(1) 이전까지 존재하지 않았던 종이 발견되었다.
예) 슈퍼 잡초와 제초제 저항성 돼지풀 발견: 슈퍼 잡초는 이전까지 존재하지 않았던 종으로 LMO 작물을 키우기 시작한 2004년부터 발견되지 시작했다. 조작된 다른 종의 유전자가 잡초로 옮겨져 생긴 것으로 추정하고 있다.
(2) 다른 종의 유전자가 생태계로 유입되는 사례가 관찰되었다.
(3) 생태계에 어떤 영향을 미칠지 예측이 불가하다. → 지속적인 관찰과 연구가 필요하다.
- 생명 과학의 발달과 생명 윤리 문제
생명 윤리
(1) 생명과 관련된 일련의 윤리적 문제점을 일컬어 생명 윤리라고 한다.
(2) 생명 윤리적 문제
– 실험동물에 관한 윤리적 문제
→ 다양한 의약품 개발과 사람에게 유용한 산물의 생산을 위해서 실험동물을 이용하는 것에 대한 문제
– 생명 공학과 의학의 발달에 따른 윤리적 문제
(3) 올바른 생명 윤리의 확립
– 생명 공학의 발달과 생명 윤리의 발달은 함께 이루어져야 한다.
– 모든 생명은 존귀하며 수단이 아닌 그 자체로서의 목적성을 가진다는 것을 인식한다.
-인간과 자연의 동반자적 관계를 인식한다.
생명 윤리 관련 법적 문제
(1) 우리나라는 생명 윤리 및 안전에 관한 법률 제정
→ 생명체를 대상으로 하는 실험 제한
(2) 생명 윤리 및 안전에 관한 법률 내용
– 인간 개체와 배아 복제를 금하고 있으며, 종간 교잡도 금하고 있다.
→ 개인의 존엄성과 관련
– 불임 치료 목적 이외의 인간 배아 생산을 금지하며, 유전자 치료도 난치병에만 허용한다.
→ 연구의 안전성과 관련
– 사람 유전체 정보 활용에서도 보험사, 고용주의 유전자 차별을 법적으로 금지한다.
→ 개인의 정보 보호
| 구분 | 내용 |
| 국가생명윤리위원회 설치 | 대통령 직속으로 규정과 지침 제정 |
| 생명 복제와 종간 교잡 | 인간 개체와 배아 복제 금지, 동물 복제만 인정 |
| 인간 배아 | 불임 치료 목적 이외의 인간 배아 생산 금지
폐기될 인간 동결 배아 한시적 허용 성인의 줄기세포를 이용한 연구 허용 |
| 유전자 치료 | 암 등 난치병에만 허용 |
| 동물의 유전자 변형 | 실험동물 대상의 유전 정보에 의한 변형 연구 인정 |
| 사람 유전체 정보 활용 | 보험사, 고용주의 유전자 차별 금지 |
| 생명 특허 | 윤리적 논란이 있는 경우 국가생명윤리위원회가 결정 |
생명 윤리와 또 다른 문제점
(1) 생명 윤리의 사회적 문제
예) 동물 실험을 거쳐 개발된 화장품의 불매 운동
(2) 생명체의 존엄성 침해 문제
예) 식용을 위해 동물을 사육하는 농장의 열악한 동물 사육 환경
참고자료: 지학사 생명과학2 교과서, EBS 수능특강 생명과학2
