12 생명 공학 기술과 인간 생활

생명 공학 기술의 활용

(1) 유전자 재조합 기술: DNA의 특정 염기 서열을 인식하여 자르는 제한 효소와 잘린 DNA의 말단끼리 이어주는 DNA 연결 효소를 이용하여 재조합 DNA를 만들고, 이 재조합 DNA를 세포에 넣어 유용한 유전자를 증식하거나 유전자의 산물을 얻는 기술이다.

① 유전자 재조합 기술을 이용한 유용한 물질 생산

• 제한 효소로 DNA 절단: DNA 운반체(대장균에서 추출한 플라스미드)와 유용한 유전자가 들어 있는 DNA에 적합한 제한 효소를 처리하여 DNA를 자른다.
• DNA 연결 효소로 DNA 연결: DNA 연결 효소를 처리하여 제한 효소에 의해 잘린 DNA 운반체와 유용한 유전자가 들어 있는 DNA를 연결한다.

• 재조합 DNA의 숙주 세포 도입과 유용한 물질 생산: 재조합 DNA를 숙주 세포(주로 대장균) 배양액에 섞은 후, 자극을 가해 재조합 DNA가 숙주 세포에 도입되도록 하여 배양하면 유용한 물질을 얻을 수 있다.

② 형질 전환된 대장균 선별

• 재조합 플라스미드 제작: 앰피실린 저항성 유전자와 젖당 분해 효소 유전자가 있는 플라스미드를 이용한다. 이 플라스미드가 도입된 대장균은 항생제인 앰피실린이 있는 배지에서 증식하여 군체를 형성한다. 제한 효소와 DNA 연결 효소를 이용하면 유용한 유전자가 젖당 분해 효소 유전자 부위에 삽입된 재조합 플라스미드가 생성되며, 이때 재조합되지 않은 플라스미드도 생성된다.
• 형질 전환된 대장균 제작 및 선별: 재조합 플라스미드를 대장균에 도입하는 과정에서 플라스미드가 도입되지 않은 대장균 A, 재조합되지 않은 플라스미드가 도입된 대장균 B, 재조합된 플라스미드가 도입된 대장균 C가 생긴다. 젖당 분해 효소에 의해 분해되면 푸른색으로 변하는 물질(X-gal)과 앰피실린이 들어 있는 배지에서 대장균 A~C를 배양하면 유용한 유전자를 가진 대장균 C를 선별할 수 있다.

유전자 재조합 모의 실험하기

(2) 핵치환: 한 세포에서 핵을 꺼내어 핵을 제거한 난자에 이식하는 기술이다.

① 핵을 제거한 난자에 체세포의 핵을 이식하여 얻은 배아를 대리모 체내에서 발생시키면 핵을 제공한 개체와 유전적으로 같은 복제 동물을 만들 수 있다.

② 핵치환 기술은 멸종 위기 동물이나 우수한 형질을 가진 동물을 보존하는 데 활용되고 있다. 또한 유용한 유전자가 도입된 형질 전환 세포를 핵치환에 이용하여 형질 전환 복제 동물을 만들고, 이 동물로부터 의약품 등 유용한 물질을 생산할 수 있다.

(3) 조직 배양: 생물체에서 떼어 낸 세포나 조직을 배양액이나 영양 배지에서 증식시키는 기술이다.

① 동물 세포의 조직 배양 기술은 동물 세포의 구조와 세포 소기관의 기능 등을 밝히는 생명 과학의 기초 연구에 활용되고, 호르몬이나 항체 생산에도 활용된다.

② 식물 세포의 조직 배양 기술을 활용하면 어버이와 똑같은 형질을 가지고 있는 식물체를 만들 수 있기 때문에 형질이 동일한 식물을 대량으로 생산할 수 있고 번식 능력이 약한 식물을 인공적으로 증식시킬 수 있다.

(4) 세포 융합: 서로 다른 두 종류의 세포를 융합시켜 잡종 세포를 만드는 기술이다.

① 세포 융합을 활용하면 우리가 원하는 특성을 가진 잡종 세포를 만들 수 있고, 두 세포의 특성을 모두 가진 잡종 세포를 만들 수 있다.

② 세포 융합 기술은 식물의 품종 개량 및 단일 클론 항체의 생산, 질병 진단, 암 치료 등에 활용되고 있다.

중합 효소 연쇄 반응(PCR)

생명 공학 기술을 이용한 난치병 치료

(1) 단일 클론 항체

① 단일 클론 항체 생산 과정(B 림프구와 암세포 융합): 활성화된 B 림프구와 암세포를 융합하여 잡종 세포를 만든 후, B 림프구와 암세포가 융합된 잡종 세포만 선별해 주는 배지를 이용하여 한 종류의 항체만 생산해 내는 잡종 세포를 얻는다.

② 단일 클론 항체를 이용한 치료: 특정 암세포와 결합하는 단일 클론 항체에 항암제를 결합시킨 뒤 암 환자에게 투여하면 암세포를 선택적으로 제거하여 암을 치료할 수 있다.

(2) 유전자 치료: 유전적으로 결함이 있는 사람에게 정상 유전자를 넣어 이상이 있는 유전자를 대체하거나 정상 단백질이 합성되게 함으로써 질병을 치료하는 방법이다.

(3) 줄기세포

① 줄기세포의 종류

• 배아 줄기세포: 배아 줄기세포는 수정란에서 유래한 배아의 배반포의 내세포 덩어리에서 얻은 줄기세포이다. 배아 줄기세포는 신체를 이루는 모든 세포와 조직으로 분화할 수 있다. 특히 환자의 체세포 핵을 무핵 난자에 이식하여 만든 체세포 복제 배아 줄기세포를 환자에게 이식하면 면역 거부 반응이 일어나지 않아 맞춤형 줄기세포를 얻을 수 있다.
• 성체 줄기세포: 탯줄 혈액이나 성체의 골수 등에서 얻는 줄기세포로, 배아 줄기세포와는 달리 분화될 수 있는 세포의 종류가 한정되어 있다.
• 유도 만능(역분화) 줄기세포: 분화가 끝난 성체의 체세포를 역분화시켜 배아 줄기세포처럼 다양한 세포로 분화될 수 있도록 한 줄기세포이다. 유도 만능 줄기세포는 자신의 세포로부터 유래하였으므로 면역 거부 반응이 없고 사람의 난자나 배아를 사용하지 않아 배아줄기세포보다 생명 윤리 문제가 적다.

② 줄기세포를 이용한 치료: 줄기세포를 이용하면 훼손된 조직을 대체할 수 있는 세포나 조직을 다량으로 얻을 수 있으므로 난치병 치료에 유용하다.

 

생명 공학 기술의 발달과 문제점

(1) 유전자 변형 생물체(LMO): 생명 공학 기술을 이용하여 만들어진 새로운 조합의 유전 물질을 가진 생물체이다. LMO는 식량과 의약품의 생산 및 환경과 에너지 문제 해결에 활용될 수 있지만, 생태계와 인류에 미칠 영향의 불확실성 등이 해결 과제로 남아 있다.

(2) 생명 윤리: 생명 공학의 발달 과정에서 생명 윤리 문제가 나타나고 있어 생명 공학 기술의 안전성과 생명 윤리에 관한 사회 구성원들의 합의가 필요하다.

(3) 생명 공학이 미래 사회에 미칠 영향: 생명 공학 기술의 개발과 활용 시 나타나는 생명 윤리를 비롯한 여러 문제를 인식하고 올바로 대처하도록 노력한다면, 생명 공학은 의약품의 생산, 질환의 진단·예방·치료, 식량 문제 해결, 인간의 수명 연장, 환경 분야, 산업 분야 등 인류의 미래를 위해 많은 성과를 낼 것이다.

참고자료: EBS 수능특강 생명과학2