생명을 직접 설계할 수 있다면, 그게 과학의 발전일까요, 아니면 인간이 넘어서는 안 될 선을 밟는 걸까요? 처음 이 질문을 마주했을 때 저는 꽤 오래 멈췄습니다. 합성생물학이란 단어를 들으면 막연히 SF 영화 속 얘기처럼 느껴지지만, 실제로는 이미 우리 일상에 깊이 들어와 있는 기술입니다.
바이오브릭, 생명을 레고처럼 조립한다는 발상이 나온 배경
합성생물학(Synthetic Biology)이란 생명체를 인간의 목적에 맞게 설계하고, 기존에 없던 기능을 구현하거나 새로운 생명체를 만들어내는 연구 기술 전반을 가리킵니다. 쉽게 말해 자연에서 일어나는 생명 현상을 공학적으로 다시 짜는 작업입니다.
이 개념이 처음 등장한 건 1978년으로 거슬러 올라갑니다. 위스콘신대학교의 바슬라프 시발스키 박사가 노벨상 수상 강연에서 이 용어를 처음 공식 사용했는데, 당시 그는 제한효소(Restriction Enzyme)를 이용해 DNA를 자르고 붙이는 재조합 기술이 머지않아 완전한 합성 단계까지 발전할 것이라 예견했습니다. 여기서 제한효소란 특정 염기서열을 인식해 DNA를 절단하는 단백질로, 세균이 외부 침입자를 방어하는 용도로 사용하던 도구입니다. 과학자들이 이걸 가져다 실험실에서 활용하기 시작하면서 유전공학의 문이 열렸습니다.
그리고 2003년, 인간유전체프로젝트(Human Genome Project)가 완료되면서 흐름이 급격히 바뀝니다. 인간을 포함한 다양한 생명체의 DNA 전체 서열을 읽어내는 이 프로젝트를 계기로, DNA 해독 비용이 폭발적으로 낮아졌습니다. 그 무렵 컴퓨터 과학에서 유입된 시각이 하나 더해집니다. 생명체를 기능별 모듈의 집합으로 바라보는 관점이었습니다. 마치 컴퓨터 시스템처럼 생명도 부품을 이해하면 재설계할 수 있다는 발상입니다. 솔직히 이건 예상 밖이었습니다. 생물학이 공학과 이렇게 가까운 언어로 맞닿을 수 있다는 게 낯설면서도 설득력 있게 느껴졌습니다.
이때부터 바이오브릭(BioBrick)이라는 개념이 등장합니다. 바이오브릭이란 유전자 하나하나를 레고 블록처럼 표준화된 단위로 정의하고, 이를 조합해 원하는 기능을 가진 세포를 만드는 접근 방식입니다. 실제로 MIT 등 여러 기관을 중심으로 바이오브릭 파운데이션이 설립되어, 연구자들이 자신이 만든 바이오브릭을 등록하고 공유하는 오픈소스 방식으로 기술이 확산되었습니다. 제가 이 대목을 보면서 가장 인상적이었던 부분이 여기였습니다. 독점이 아니라 공유로 시작했다는 것, 그리고 그 결과 기술이 얼마나 빠르게 퍼졌는지.
크레이그 벤터의 실험과 바이오파운드리의 핵심
합성생물학이 실험실 개념을 넘어서는 전환점을 만든 인물이 크레이그 벤터입니다. 그는 인간유전체프로젝트가 너무 느리다며 독자적으로 셀레라 지노믹스(Celera Genomics)라는 벤처를 설립하고, 샷건 시퀀싱(Shotgun Sequencing)이라는 새로운 방법으로 해독 속도를 획기적으로 끌어올렸습니다. 샷건 시퀀싱이란 DNA를 작은 조각으로 무작위 분해한 뒤 각각을 읽고, 컴퓨터로 퍼즐처럼 조합해 전체 서열을 재구성하는 방법입니다. 기존 방식보다 훨씬 빠른 대신, 그만큼 강력한 컴퓨팅 파워가 필요했습니다.
그가 2010년 발표한 연구는 한 단계 더 나아갔습니다. 미코플라스마 마이코이데스(Mycoplasma mycoides)라는 세균의 유전체를 통째로 화학 합성한 뒤, 유전 정보를 제거한 빈 세포에 집어넣었습니다. 그러자 세포가 실제로 작동했습니다. 이것이 인간이 만든 최초의 합성 세포로 기록됩니다. 4년이 걸린 작업이었고, 수백만 개의 염기를 하나씩 연결하는 고된 과정이었습니다. 이 세포에는 JCVI-syn이라는 이름이 붙었는데, 자기 연구소 이니셜을 생명체 이름에 붙인 벤터의 태도에서 저는 묘하게 토니 스타크 같은 느낌을 받았습니다.
이후 버전이 계속 업그레이드됩니다. 특히 최소 유전체(Minimal Genome) 연구에서 901개이던 유전자를 절반 이하로 줄여도 생존이 가능하다는 걸 확인했고, 이후 추가 연구로 번식 기능까지 갖춘 버전 3.0을 완성했습니다. 흥미로운 건 인위적으로 줄인 유전자들이 수천 세대를 거치며 자연적으로 다시 복원됐다는 점입니다. 생명체가 스스로 효율을 찾아가는 과정을 목격한 것인데, 이게 제가 이 내용을 보면서 가장 신기하고 동시에 가장 두려웠던 부분이었습니다.
현재 합성생물학의 산업적 무게중심은 바이오파운드리(Biofoundry)로 옮겨가고 있습니다. 바이오파운드리란 합성생물학적 기법에 로보틱스와 인공지능을 결합해, 생명체를 이용한 물질 생산을 자동화하는 시스템입니다. 코로나19 mRNA 백신 대량 생산, 당뇨 환자용 인슐린 제조, 말라리아 치료제 아르테미시닌 합성 등이 이 방식으로 이루어지고 있습니다. 전 세계 합성생물학 시장 규모는 2023년 기준 약 134억 달러로 평가되며, 2030년까지 연평균 25% 이상 성장할 것으로 전망됩니다(출처: Grand View Research).
합성생물학의 주요 산업 활용 분야를 정리하면 다음과 같습니다.
- 의약품 생산: 인슐린, 항생제, mRNA 백신, 희귀질환 치료제
- 환경·에너지: 미세플라스틱 분해 효소 개발, 탄소 고정 미생물 설계
- 식품·농업: 대체 단백질 생산, 질소 고정 미생물 활용 친환경 비료
- 소재·화학: 석유 대신 바이오매스를 원료로 한 친환경 화학 물질 합성
디자인베이비와 윤리 — 기술보다 먼저 필요한 것
크리스퍼(CRISPR-Cas9) 유전자 가위 기술이 등장하면서 판도가 또 한 번 바뀌었습니다. 크리스퍼-Cas9이란 특정 DNA 서열을 정밀하게 찾아 자르고 수정할 수 있는 유전자 편집 도구입니다. 기존 제한효소보다 훨씬 정확하고 비용도 낮아, 사실상 생명 편집의 대중화를 이끈 기술로 평가받습니다.
이 기술이 가장 뜨거운 논란을 일으킨 사례는 2018년 중국에서 탄생한 디자인베이비(Designer Baby)입니다. 디자인베이비란 수정란 단계에서 유전자 편집을 통해 특정 형질을 사전 설계한 아이를 말합니다. 허젠쿠이라는 과학자가 HIV 바이러스의 세포 침투 경로가 되는 CCR5 수용체 유전자를 편집해 두 여아를 태어나게 했고, 이는 전 세계적인 비판과 함께 그의 구금으로 이어졌습니다. 사전 윤리 심의 없이 진행된 이 실험은 제도적 감시 없이 기술만 앞서 나갈 때 어떤 일이 벌어지는지를 보여주는 사례로 남아 있습니다.
제가 이 부분에서 제일 걸리는 건 생식세포 편집의 파급력입니다. 일반 유전자 치료와 달리, 생식세포나 수정란 단계에서 이루어진 편집은 해당 개인뿐 아니라 그 후손 전체에게 영향을 미칩니다. 한 번의 결정이 수십 세대를 바꿀 수 있다는 뜻입니다. 반면 이미 태어난 아이에게 크리스퍼 치료를 적용해 희귀 유전 질환을 완치한 사례도 나왔습니다. 같은 도구가 어떤 맥락에서 쓰이느냐에 따라 의미가 완전히 달라지는 겁니다.
국제 수준에서도 이 논의는 현재 진행 중입니다. WHO 유전자 편집 자문위원회는 생식세포 편집의 임상 적용에 대해 강력한 규제가 필요하다는 입장을 밝히고 있으며, 현재의 과학적 이해만으로는 장기적 안전성을 보장할 수 없다고 경고합니다(출처: WHO).
제 경험상 이런 기술 윤리 문제는 전문가들끼리만 토론해서는 답이 나오지 않습니다. 결국 사회 전체가 이 기술을 어느 정도 이해하고, 어디까지 허용할지 함께 결정해야 합니다. 플라스틱이 처음 등장했을 때 아무도 미세플라스틱을 예상하지 못했던 것처럼, 합성생물학도 지금 우리가 상상하지 못하는 부작용을 만들어낼 수 있습니다.
합성생물학은 이미 일상 깊숙이 들어와 있습니다. 막을 수 있는 단계는 지났고, 막는 게 답도 아닙니다. 하지만 지금 우리에게 필요한 건 무조건적인 낙관도, 막연한 공포도 아닙니다. 이 기술이 어떻게 작동하는지 최소한 알고, 어디서 선을 그을지 함께 목소리를 낼 수 있어야 합니다. 과학이 어디로 가든 결국 그 방향을 결정하는 건 사람이어야 하기 때문입니다. 합성생물학에 관심이 생겼다면 WHO나 국내 과학기술정보통신부의 생명윤리 관련 정책 자료부터 한 번 들여다보시길 권합니다.
참고: 세상에 없던 생명체를 만들다😱 합성생물학, 이 기술을 써도 되나요? (feat. 송기원 교수) [취미는 과학/41화 확장판] :
https://www.youtube.com/watch?v=PyMLEvzuQPk&list=PLkKcqR2KGxgzqeKZo1Rx93kJFokuVkpye&index=49