합성생물학의 선구자 크레이그 벤터,
DNA 합성으로 생명을 창조하다
2010년 3월 20일. 전 세계의 신문은 현대 과학에서 가장 놀라운 업적을 소개했다. 세계 최초의 합성생명 형태가 창조된 것이다. 지난 수십 년 동안 이루어진 분자생물학의 발견에 힘입은 이 기념비적인 사건으로 인류는 생물학 연구의 가장 중요하고 흥분된 국면에 다다랐다. 생명의 소프트웨어를 작성할 수 있는 능력을 갖춘 덕에 인류는 길어진 수 명에 적응하고 진화하는 데 도움이 될 새로운 종을 고안할 지식마저 갖추게 된 것이다.
이 책에서 크레이그 벤터는 합성유전체학이 걸어온 길을 설명하고, 그 작업이 앞으로 다가올 미래에 인류에게 어떤 영향을 미치게 될지 전망한다. 벤터는 유전학에서의 핵심적인 발견과 그 자신이 인간 유전체 서열분석에서 수행한 획기적인 연구의 역사를 따라간 후에, 스스로 복제하는 합성 미생물 세포의 창조 과정을 자세히 묘사한다.
벤터의 연구팀은 디지털화된 유전 정보와 DNA 합성 기술을 결합해 처음으로 합성유전체를 지닌 생명체를 탄생시켰다. 그는 생물학을 정보학으로 전환하는 데 성공했으며, 이로써 생명에 대한 새로운 정의를 고민하게 만들었다. 또한 정보를 빛의 속도로 전송할 수 있듯이 생명 역시 빛의 속도로 이동할 수 있다고 주장한다. 예를 들어, 특정 생명체의 디지털 생명 정보를 빛의 속도로 화성에 전송하여, 그 정보를 바탕으로 화성에서 그 생명체를 만들 수 있다는 것이다.
이 책은 생물학 기술의 새로운 시대의 여명에 우리에게 “생명이란 무엇인가?”라는 오래된 질문을 새로 숙고할 기회를 제공해준다.

？ “창조할 수 없다면 이해한 게 아니다”
합성생명이란 무엇인가?
크레이그 벤터는 2010년 미코플라스마 미코이데스라는 세균의 유전체를 모두 인공적으로 합성한 후 다른 종의 세균에 이식시키고, 이식된 세균이 원래 가지고 있던 유전체는 제거하여 실험실에서 합성된 유전체 정보만으로 유지되는 새로운 생명체를 만들었다. 이른바 유전체의 합성을 통해 새로운 합성생명을 만든 것이다.
흔히 ‘인공생명artificial life’이라고 하면 1990년대 컴퓨터과학계에서 제시한 개념을 이른다. 즉 컴퓨터의 가상 환경 내에서 마치 유기체 생명처럼 자유롭게 진화하는 시스템을 이르는 것이다. 벤터가 제시하는 합성생명synthetic life은 기존의 디지털 인공생명과 달리 그 출발점이 디지털 세계에 있지 않다. 살아 있는 세포는 DNA 부호가 RNA, 단백질, 세포의 형태로 표현되고, 이들이 생명의 물리적 성분들을 이룬다. 이처럼 생물학 실험실에서 이루어지는 합성생명은 올바른 DNA 부호를 올바른 순서로 올바른 화학적 맥락에 넣으면 현존하는 생명으로부터 새로운 생명을 생산할 수 있다는 사실에서 출발한다.
벤터와 그의 연구팀은 ‘합성생명’과 ‘합성세포’를 ‘온전히 합성 DNA 염색체로 제어되는 세포들’이라고 정의했다. 즉 합성생명이란 합성된 암호문에 기반을 둔 자기 복제하는 생명이다. 리처드 파인먼은 “창조할 수 없다면 이해한 게 아니다”라고 했다. 벤터는 생명의 비밀을 이해했음을 증명하기 위해 이를 직접 창조했다. 컴퓨터의 디지털 부호에서 시작해 DNA 분자의 화학적 정보를 재창조했고, 그런 다음 살아 있는 세포를 창조했다. 그는 컴퓨터의 디지털 정보를 가지고 그 정보만으로 세균의 유전체 전체를 화학적으로 합성하고 조립한 다음, 그 유전체를 숙주 세포에 이식해 합성유전체로만 제어되는 새로운 세포를 창조함으로써 생명의 고리를 완성했다.

？ 생명의 정의를 다시 세우다
분자생물학 혁명과 합성생명체의 한계
에르빈 슈뢰딩거는 《생명이란 무엇인가》에서 염색체에 “한 개체의 일생 동안의 발달 패턴을 결정하는 모종의 암호문”이 있으며, 비주기적 결정aperiodic crystal 안의 원자들에 유전을 위한 충분한 정보가 담겨 있을 것이라 했다. 벤터는 1990년 연구팀과 함께 살아 있는 한 세포의 유전체를 최초로 해독했고, 그런 다음 인간의 유전 암호문을 해독하였다. 그리고 21세기 초반 그는 슈뢰딩거가 말한 ‘인간 생명의 암호를 담고 있는’ 비주기적 결정의 놀라운 내용을 처음으로 밝혀냈다.
벤터는 슈뢰딩거가 비주기적 결정이라는 모호한 용어로 기술한 유전자의 실체를 규명하여, 처음으로 생명체의 유전체에 들어 있는 정보를 밝혀냈다. 또한 세균의 유전체를 화학적으로 합성하여 이것이 실제 세균 유전체와 마찬가지로 반응하는 것도 밝혀냈다.
벤터가 창조한 합성유전체에 담겨 있는 생명 정보는 오직 기존에 살아 있는 생명체의 활동을 통해서만 생명을 얻을 수 있다는 한계가 있다. 즉 이미 존재하는 세균의 유전체에 있는 것과 거의 동일한 것을 화학적으로 복사한 것에 불과할 뿐 세상에 없던 무언가를 만들어낸 것은 아니라는 지적이다.

？ 빛의 속도로 이동하는 생명을 전송하다
생물학적 순간이동의 가능성과 전망
벤터는 자신이 합성 생물을 창조함으로써 생물학을 정보학으로 전환하는 데 성공했으며, 정보를 빛의 속도로 전송할 수 있듯이 생명 역시 빛의 속도로 전달할 수 있다고 주장한다. 즉 화성에 DNA 기반의 생명체가 있다면 화성 탐사선이 이 생명체의 유전체서열을 획득해 그 정보를 지구에 전송함으로써 화성의 생명체로 지구에서 그 유전체를 재구성할 수 있다는 것이다.
아직은 공상과학 소설의 이야기 같지만, 벤터는 이러한 연구가 궁극적으로 맞춤형 의료 개발을 목표로 하며, 인간의 신체적, 인지적 기능을 향상시키는 데 사용될 수 있다고 주장한다. 가령 독감이 유행할 때 백신을 분배하는 일에 이 기술을 적용할 수 있다. 그러면 현재 몇 개월이 걸리는 백신 생산과 전달 시간이 큰 폭으로 줄어들 수 있다. 실제로 벤터의 연구소와 제약회사인 노바티스는 합성생물학과 세포 기반 제조를 이용해 5일 만에 새로운 백신을 생산했다고 밝혔다. 벤터의 기술을 이용하면 세균을 공격하는 박테리오파지를 이용한 파지 요법에 걸리는 시간과 비용도 단축할 수 있다. 개별 질병과 개별 환자에게 맞는 파지를 신속하게 설계하고 증식시킬 수 있다.
벤터와 그의 연구팀은 현재 디지털 생명 전송 장치를 만드는 시도를 보완하기 위해 수신 장치를 만들고 있다. 즉 전송된 DNA를 정보를 조합해 재생산하는 장치이다. 현재 이 장치는 ‘디지털 생물학 컨버터’, ‘생물학적 순간이동기’ 등의 가칭으로 불린다. 이른바 ‘생명의 3D 프린터’라고 할 수 있는 이 장치가 완성된다면, 궁극적인 맞춤 의료가 가능할 뿐 아니라 인간의 신체적？인지적 기능을 향상하고 식량, 에너지, 환경문제 등을 해결하는 데 큰 역할을 할 수 있을 것이다.
세계 최초로 인간 유전체 지도를 완성한 것으로 유명한 미국의 유전학자이자 기업가이다. 현재 비영리 연구 단체인 J.크레이그벤터연구소J. Craig Venter Institute(JCVI)의 소장으로 있으면서 유전체 연구를 넘어 유전체 합성 및 인공생명 연구에 집중하고 있다.
벤터는 베트남 전쟁에 의무병으로 참전하여 의학에 관심을 갖게 되었고, 제대 이후 샌디에이고 캘리포니아대학교에 들어가 6년 만에 생리 및 약리학 박사학위를 취득했다. 1984년부터 국립보건원에서 신경질환 및 뇌졸중 연구소의 소장으로 있던 그는 1992년 비영리연구소인 유전체학연구소(TIGR)를 창립하고 본격적으로 유전학 연구에 몰두한다. 1998년에는 유전자 전문 연구 기업인 셀레라지노믹스를 설립하여, 다양한 유전자 연구 기법을 개발하고 이를 이용한 연구 성과를 발표하였다. 학문과 산업 분야 모두에서 유전체 연구의 선구자로 자리매김한 그는 2000년 6월 31일에는 백악관에서 인간 유전체 지도 완성 결과를 발표하기도 했다.
이후 유전체 지도 작성을 넘어 유전체 합성과 인공생명 연구에 매진하여, 2010년에는 최초의 합성생명을 만드는 데 성공한다. 이 책에서 벤터는 유전체학 연구가 걸어온 길을 설명한다. 또한 자신이 이끄는 JCVI가 현재 수행하고 있는 합성유전체학과 합성생명 연구의 과정을 보여주며, 이것이 과학계와 산업계에 어떤 의미를 지니고 있는지를 집중적으로 조명한다.
200여 편의 논문을 발표했으며, 《크레이그 벤터, 게놈의 기적A Life Decoded》이 우리나라에 번역되어 있다. 2008년 미국국가과학상을 받았고, 2015년에는 네덜란드 왕립과학예술아카데미가 수여하는 레벤후크메달을 받았다.

우리가 최초의 합성세포를 창조했다고 발표했을 때 ‘신 행세’를 하는 것 아니냐고 묻는 사람들이 있었다. 새로운 생명을 창조하기 위해 신이 얼마나 불필요한지를 이 실험을 통해 보여주었다는 좁은 의미에서는 우리가 신 행세를 했다고 생각한다. 나는 우리가 화학물질로 합성생명을 창조함으로써 마침내 생기론의 잔재를 최종적으로 잠재웠다고 믿었다. _ 2 합성에 의한 증명 / 44쪽

지금은 바야흐로 디지털 생물학의 시대이다. 단백질 및 하나의 세포 안에서 상호작용하는 여타 분자들을 하드웨어로 볼 수 있고, 그 DNA에 부호화된 정보를 소프트웨어라고 볼 수 있다. 자기 복제하는 살아 있는 세포를 만드는 데 필요한 모든 정보는 DNA 이중나선의 나선에 들어 있다. 우리는 그 부호를 읽고 해석하면서 마침내 세포가 어떻게 작동하는지 완전히 이해할 수 있을 것이고, 그런 다음에는 새로운 세포 소프트웨어를 작성함으로써 세포를 바꾸고 개선할 수 있을 것이다. _ 4 생명의 디지털화 / 81쪽

그날 오후, 그 배양접시에 포함된 것이 합성유전체가 맞다는 최초의 확인 결과가 도착했다. “축하합니다! 공식 결과입니다. 당신은 합성 미코이데스 세포의 자랑스러운 부모가 되었습니다!” 나는 록빌의 회의실에 팀 전체를 모아놓고, 라호야에 있는 나머지 합성유전체 팀과 우리를 화상으로 연결했다. (라호야 팀도 샴페인 여러 병을 얼음에 담가두었음이 틀림없었다.) 최종 확인까지는 며칠이 더 걸렸지만, 우리 모두는 성공임이 확실한 결과에 행복한 축배를 들었다.
_ 8 미코플라스마 미코이데스 유전체의 합성 / 193쪽

이제 우리는 올바른 DNA 부호를 올바른 순서로 올바른 화학적 맥락에 넣으면 현존하는 생명으로부터 새로운 생명을 생산할 수 있다는 사실을 알았다. 합성세포를 창조할 때 우리는 35억 년의 진화를 바탕으로 했지만 그것을 그대로 반복하려고 하지는 않았다. 다시 말해, 우리는 유전체를 변형했으므로, 우리가 창조한 세포의 직접적인 조상을 자연에서 찾을 수 없다. 합성 부호를 창조함으로써 우리는 생명의 강에 새로운 지류를 추가했다. _ 9 합성세포의 함의 / 204쪽

생명이 마침내 빛의 속도로 이동할 수 있을 때, 우주는 수축하고 우리의 힘은 팽창할 것이다. 화성이 지구에 근접할 때 우리가 그 붉은 행성에 있는 디지털-생물학 전환기로 전자기파 형태의 서열 정보를 4.3분 만에 전송해 화성 이주자들의 마을에 백신, 항생제, 맞춤 약을 제공할 수 있다는 것을 간단한 계산을 통해 알 수 있다. 같은 종류의 계산에 따르면, NASA의 화성 탐사로봇 큐리오시티Curiosity에 DNA 서열분석기를 장착할 경우 그 기계가 화성 미생물의 디지털 부호를 지구로 전송할 수 있고, 그러면 우리는 지구 실험실에서 그 생물을 재창조할 수 있다.
_ 12 빛의 속도로 생명을 전송하다 / 277쪽

 

1장 더블린, 1943-2012
2장 합성에 의한 증명
3장 생물학과 디지털의 만남
4장 생명의 디지털화
5장 합성 파이 X 174
6장 최초의 합성유전체
7장 한 종을 다른 종으로 전환하다
8장 미코플라스마 미코이데스 유전체의 합성
9장 합성세포의 함의
10장 설계된 생명
11장 생물학적 순간이동
12장 빛의 속도로 생명을 전송하다