구닥다리 과학책은 가라! 미래과학을 신나고 재미있게 배우는 제2의 과학 교과서
미래를 바꾸는 가장 강력한 힘! -바이오 이야기는 더 이상 꿈이 아니다.
생명체를 조작하여 새로운 가치를 만들어 내는 바이오 기술

“처음 읽는 미래과학 교과서 시리즈” 그 세 번째 이야기는 이다. 인간의 뇌와 같은 컴퓨터, 몸속을 돌아다닐 수 있는 정자만한 잠수함, 코끼리만한 돼지, 인삼 성분이 들어 있는 바나나, 복제 양‘돌리’처럼 나도 복제가 가능하다면?! 만화보다 재미있고, 공상과학소설보다 상상력을 높여주는 꿈의 기술, 바이오기술! 그 무한한 가능성은 바로 우리 눈앞에 펼쳐지고 있다.
1980년대 불기 시작 한 생명공학, 그 꿈의 기술이 현실화되기까지, 바이오테크놀로지의 중요도와 의미, 생명과학의 핵심인 DNA, 세포, 단백질, 돌연변이에 관한 생명과학의 기본원리, 유전자 재조합 기술, 생명복제 기술, 줄기세포 기술, 인간 게놈 프로젝트 등 바이오테크놀로지의 기반기술, 바이오테크놀로지의 산업적 응용 방식에 대한 설명 등으로 구성되고 각 주제마다 생명공학에 대한 흥미를 북돋을 수 있도록 이끄는 바이오 이야기는 이해를 돕도록 구성되어 있다.

박태현
저자는 서울 출생으로 바이오테크놀로지에 대한 열정을 가지고 서울대학교 화학공학과를 전공, 한국과학기술원(KAIST) 화학공학과에서 공부를 이어갔다. 한국의 산업체에서 바이오 연구를 본격적으로 처음 시작하던 무렵, 럭키중앙 연구소 유전공학연구부에서 연구원으로 사회에 첫발을 디디게 된다. 그 후 미국 퍼듀 대학교 화학공학과를 전공, 미국 캘리포니아대학교(어바인) 박사 후 연구원을 지냈다. 타지에서의 6년의 긴 공부를 마치고 LG바이오텍연구소 선임 연구원, 성균관대학교 유전공학과 교수를 지냈고, 미국 캘리포니아대학교(어바인) 객원교수를 역임하였다. 현재는 서울대학교 화학생물공학부 교수이며, 미국 코넬 대학교 객원교수를 역임하고 있다.

-인사말

I. 바이오테크놀로지, 꿈의 기술에서 현실세계로
1. 바이오테크놀로지, 꿈의 기술
2. 바이오테크놀로지, 현실 세계
3. 바이오테크놀로지의 의미

II. 생명과학의 기본 원리
1. 영화 에서 공룡을 부활시키는 방법
2. 생명체의 정보가 저장되어 있는 DNA (deoxyribonucleic acid)
바이오 이야기 (갈등을 일으키지 않는 DNA)
3. 생명체의 기본 단위를 이루는 세포
바이오 이야기 (생체 탈수를 막아주는 스포츠 음료)
4. DNA 정보를 이용하여 살아가는 세포들
바이오 이야기 (DNA 분자가 사용되는 신개념 컴퓨터)
5. DNA 암호의 비밀
바이오 이야기 (DNA 비밀 해독을 위한 RNA 타이클럽)
6. DNA 암호 해독 과정
바이오 이야기 (DNA에 결함을 가지고 탄생한 버블보이)
7. DNA 암호에 수록된 모든 일을 도맡아 수행하는 단백질
바이오 이야기 (단백질 구조를 바꾸는 머리카락 파마)
8. 필요에 따라 ON/OFF되는 유전정보
바이오 이야기 (우유를 마시면 설사를 하는 사람들)
9. 유전정보를 이용하여 영양분을 소화시키고 에너지를 얻는 세포들
바이오 이야기 (DNA 결함과 연관된 다이어트 음료의 경고문)
10. 유전자 발현의 조절에 의해 적절히 제어되는 세포 내의 대사 작용
바이오 이야기 (괜찮은 돌연변이 과 )

III. 바이오테크놀로지 기반기술
1. DNA를 마음대로 자르고 붙이는 유전자 재조합 기술 (Recombinant DNA Technology)
바이오 이야기 (유전자 재조합 기술과 스파이더맨의 탄생과정)
2. DNA를 자르는 가위, 제한 효소 (Restriction Enzyme)
바이오 이야기 (거꾸로 읽어도 동일한 팔린드롬-제한효소 인지부위)
3. 유전자 내에 섞여 있는 정체를 알 수 없는 부분인 인트론 (Intron) 제거 작업
바이오 이야기 (인트론 제거를 위해 찾아갔던 도살장)
4. 한 가닥의 DNA를 무수히 많은 가닥으로 증폭시키는 PCR (Polymerase Chain Reaction) 기술
바이오 이야기 (달밤에 운전하며 떠올린 기술, PCR)
5. DNA를 크기 별로 구별하여 볼 수 있는 DNA 겔 전기영동 (DNA Gel Electrophoresis)
바이오 이야기 (DNA를 분석하려면 시치미를 떼지 말아야)
6. 유전정보를 읽어 내는 DNA 서열 분석 기술 (DNA Sequencing Technology)
바이오 이야기 (DNA의 비밀에 대해 너무 많이 알게 된다면)
7. 인간의 손으로 만드는 DNA 합성 기술
바이오 이야기 (제넨텍을 경쟁에서 이기게 한 합성 DNA)
8. 복제 양‘돌리’를 탄생시킨 생명 복제 기술
바이오 이야기 (복제 인간이 태어난다면)
9. 인체의 주요 부분을 만들 수 있는 줄기 세포 기술
바이오 이야기 (여자 아이가 커가면서 남성으로 변하기도)
10. 생물학의 주기율표, 인간 게놈 프로젝트
바이오 이야기 (인간 게놈 지도의 초안이 마련되기까지)

IV. 바이오테크놀로지의 산업적 응용
1. 고대 이집트 시대에서부터 이용되어 온 바이오테크놀로지
바이오 이야기 (오염된 배양 접시에서 찾아낸 보석, 페니실린)
2. 유전자 재조합 기술을 이용한 최초의 제품 ‘인간 인슐린’의 탄생
바이오 이야기 (다양한 목적의 각종 재조합 성장 호르몬)
3. 미생물, 우리에게 필요한 물질의 생산 공장
바이오 이야기 (방귀를 안 뀌려면 효소의 도움을 받아야)
4. 인간과 박테리아의 신경전, 대량 생산을 위한 생물 공정 개발
바이오 이야기 (산업화를 위한 생명과학자와 생물공학자의 협력)
5. 미래의 융합 기술, 나노바이오테크놀로지
바이오 이야기 (스파이더맨과 대결하는 나노바이오테크놀로지)

- 키워드 정리
- 참고 문헌
- 찾아 보기

미래를 바꾸는 강력한 힘, 바이오테크놀로지의 무한한 가능성은 더 이상 꿈이 아니다.
물리나 화학 과목과 비교할 때, 생물은 외우는 과목이라고 생각하는 사람들이 상당수 있을 것으로 생각한다. 그렇다면 왜 생물이 외우는 과목이라는 인상을 주게 되었는가? 생물은 생명체에 대하여 공부하는 과목인데, 생명체는 매우 복잡한 구조와 특성들을 가지고 있어서 쉽사리 이해되지 않는 부분들이 많이 존재한다. 그 대상이 너무나도 복잡하여 그것들을 이해하는 데는 한계가 있었다. 따라서 생명체에서 일어나고 있는 자연 현상들의 많은 부분에 있어서, 그것을 이해하지 못한 채로 단지 관찰한 결과들을 그대로 기록하여 놓는 데에 그칠 수밖에 없었다.
반면에 물리와 화학의 경우에는 생물에 비해 그 대상이 비교적 단순하여 많은 것들을 이해할 수 있었다. 이와 같은 이해에 바탕을 두어, 지난 200년 동안 물리와 화학은 눈부신 발전을 하여 왔다. 이와 같은 과학적 이해는 기술의 발전으로 이어졌고, 그 결과 우리는 일상생활에서 컴퓨터, 자동차, TV, 에어컨, 난방기구 등의 과학기술적 제품들을 사용하고 있다. 기술의 발전은 과학적 이해를 바탕으로 하므로, 과학적 이해가 없으면 기술 개발에는 한계가 있다.
지난 두 세기는 물리와 화학의 시대였다. 대부분의 기술이 물리와 화학을 기반으로 발전되었다. 반면에 생물의 경우에는 이해 못하는 부분이 많아서 기술개발이 매우 제한적일 수밖에 없었다. 기술적 응용을 대상으로 하는 공과대학에 과거에는 생물 관련 학과가 전무했던 것을 보아도 알 수 있다. 그러던 것이 DNA가 생명체의 유전정보를 가지고 있는 물질이라는 사실이 알려지고, 그 DNA 분자의 구조가 밝혀지고, DNA를 마음대로 자르고 붙이는 DNA 재조합 기술이 생겨나면서, 비로소 생명체를 분자 수준에서 이해할 수 있는 현대 생물학의 새로운 장이 열리며 눈부신 발전을 이루어 나가게 되었다.
이로 인해 과학적 이해에 바탕을 둔 새로운 생물학적 기술들이 탄생하게 되었고, 이 기술들은 새로운 산업을 탄생 시키게 되었다. 이제 공과대학에서도 생물과 관련된 이름을 가지고 있는 학과를 어렵지 않게 볼 수 있게 되었다. 많은 미래학자들은 21세기는 바이오테크놀로지의 시대라고 주저 없이 이야기 한다.
지난 20년간 컴퓨터는 많은 발전을 거듭하여 이제 사회 모든 분야에서 없어서는 안 될 존재가 되었고, 이 눈부신 발전에 동참하지 못하는 사람들을 우리는 컴맹이라고 부를 정도가 되었다. 이제 막 도약을 시작하고 있는 바이오테크놀로지도 그 영향력이 바이오산업 그 자체에만 그치는 것이 아니라 사회의 모든 분야에 영향을 미칠 것이 확실해 보인다. 이미 매스컴에서도 바이오테크놀로지에 대해 많은 양의 기사를 연일 내보내고 있다. 이제 바이오테크놀로지에 관한 지식은 그 분야를 전공한 일부 사람들만이 필요로 하는 영역을 벗어나고 있다. 현대 사회를 살아가는 일원으로서 사회 발전에 동참하기 위해서 알아야 하는 필수 지식으로 자리 매김하고 있다.
이 책은 이러한 시대적 요구에 부흥하여, 미래의 우리 사회에 지대한 영향을 미칠 바이오테크놀로지가 어떤 원리에 의하여 발전되어지고 있는지를 일목요연하게 이해할 수 있도록 기술하였다. 되도록 세세한 사항들에 대한 자세한 설명은 피하고 바이오테크놀로지의 커다란 줄기와 그 의미들을 중·고등학생과 일반인이 쉽게 이해할 수 있도록 기술하려고 노력하였다. 현대 사회를 살아가는 교양인으로서 바이오테크놀로지를 이해하는데 책이 조그만 도움이 되기를 바라는 바이다.

과학연구의 현장에서부터 기술이 인간에게 미치는 영향, 과학이 가진 힘과 한계까지!
우리는 과학정보가 넘쳐나는 시대에 살고 있다. 그러나 역설적이게도 과학의 위기를 함께 맞고 있다. 과학정보의 양은 폭주하고 있으나, 전문화된 과학정보는 해독의 난해함으로 일반인의 접근을 어렵게 만들고 있기 때문이다. 또한, 발전 논리 위주로 치닫는 산업화의 가속도는 과학이 반드시 인간의 삶의 질을 높이지만은 않는다는 비판적 목소리를 더 높이고 있다. 그럼에도 여전히, 학교에서 배우는 과학 교과서는 물리, 화학, 생물 등 기초이론만을 다루고 있고, 실제 우리 삶을 바꿀 첨단과학과 기술에 대해서는 전무하게 소외시켜왔다.

이런 과학의 위기 앞에서, 지금 우리에게는 기초과학 이상으로 ‘미래과학’을 공부해야 할 필요성이 무엇보다 중요해졌다. 과학은 매우 넓은 스펙트럼을 가지고 있고 일상생활 속에 깊이 침투해 있는데, 편중된 과학 수업은 일반인의 편중된 과학 이해만을 만들어낼 뿐이다.
이러한 문제를 해결하기 위해서, 김영사는 국내 최고 연구자들을 집필진으로 포진하여 를 기획하였다.

이번 미래과학교과서 시리즈의 세 번째 책인 3권 “생명공학”에서는 생명공학은 무엇일까? DNA, 세포, 단백질, 돌연변이에 관한 생명과학의 기본원리와 유전자 재조합 기술, 생명복제 기술, 줄기세포 기술, 인간 게놈 프로젝트 등 바이오테크놀로지의 기반기술 등에 대해 저술하였다. 생명공학이 인류의 삶에 미치는 영향과 산업적 응용 방식에 대해 알기 쉽게 풀어놓았다. 또한 영화와 만화 속에 숨어 있는 생명공학을 재미있게 그려 보았다. 과학이 가진 힘과 그 한계까지 청소년들과 일반인들이 보다 이해하기 쉽게 풀어놓았다. 지나친 과학 낙관론을 경계하고, 과학기술이 유발할 수 있는 사회적, 환경적 위험도 가늠해 볼 수 있는 반성적 사유를 만나볼 것이다.

과학은 가치중립적인 것이 아니다. 아무런 입장표명 없이 중립적으로 정보 전달에서 끝낼 수 없다. 따라서 이 책의 가치는 고도의 테크놀로지가 삶의 방식, 건강, 노동과정에 끼치는 영향을 평가할 수 있는 지식 기반과 비판적 교양을 제공한다는 점에서 발휘될 것이다. 한마디로 이 책은 지금 우리에게 필요한 과학 교과서이다.


생명체를 조작하여 새로운 가치를 만들어 내는 바이오 기술은 더 이상 상상이 아니다

바이오테크놀로지, 꿈의 기술에서 현실 세계로 - 1980년대 중반 국내에서도 인터페론을 비롯 DNA 재조합 기술을 이용한 제품들이 생산되어 판매되기 시작하였으며, 현재는 많은 종류의 다양한 제품들이 나오고 있다. 바야흐로 국내에서도 DNA 재조합 기술에 기반을 둔 꿈의 기술인 바이오테크놀로지가 제품생산이라는 현실로 나타나기 시작한 것이다. 그러면 왜 이 용어가 새롭게 주목받기 시작하였는가? 이는 최근 10-20여 년 사이에 DNA 재조합 기술이 보편화됨으로써, 상상의 세계에서나 가능하리라고 생각되었던 생명체 조작이 가능해짐에 따른 것이다. 즉 이제는 생명체의 생산능력을 포함하여 여러 가지 특성들을 원하는 대로 변형시켜 새로운 가치를 창출해 내는 것이 더 이상 상상속의 세계에서 가능한 일이거나 꿈이 아니라 미래를 바꾸는 가장 강력한 힘이 되는 시대가 온 것이다.

생명과학의 기본 원리 - 이라는 영화에서는 아주 오래 전에 이미 멸종한 생명체인 공룡을 부활시켜 공룡들이 뛰어다니는 놀이공원을 만드는 것을 소재로 하여 이야기가 전개된다. 여기서 이 세상에 존재하지 않는 공룡을 부활시키는 방법이 자못 흥미롭다. 쥐라기 공원의 과학자들은 이 모기의 몸에서 공룡의 피를 뽑아내고, 피 속에 들어있는 공룡의 DNA를 추출해 낸다. 이렇게 추출된 공룡의 DNA를 사용하여 공룡을 환생시킨다는 내용이다. 굉장히 황당한 이야기 같이 들리지만, 과학적으로 볼 때 그저 재미있는 이야기쯤으로 가벼이 생각할 수만은 없는 이야기이다. 과학적으로 볼 때 DNA는 과연 무엇이기에 멸종한 동물도 살려낼 수 있을까?

바이오테크놀로지 기반기술 - DNA를 마음대로 자르고 붙이는 유전자 재조합 기술을 성사시키려면 DNA를 자르는 가위, 제한효소가 필요하다. 유전자 내에 섞여 있는 정체를 알 수 없는 부분인 인트론 (Intron) 제거 작업, 한 가닥의 DNA를 무수히 많은 가닥으로 증폭시키는 PCR 기술, DNA를 크기 별로 구별하여 볼 수 있는 DNA 겔 전기영동, 유전정보를 읽어내는 DNA 서열분석 기술, 인간의 손으로 만드는 DNA 합성 기술, 복제 양‘돌리’를 탄생시킨 생명복제 기술, 인체의 주요 부분을 만들 수 있는 줄기세포 기술, 생물학의 주기율표, 인간 게놈 프로젝트까지 우리가 이룬 기반기술을 짚어야 한다. 그렇다면 인간 게놈을 완벽하게 확인한다는 것은 어떤 의미를 지닐까. 이는 신비에 싸인 생명현상의 원초적인 모든 것 하나하나를 이해할 수 있는 기반이 제공된다는 것을 의미한다. 무엇보다도 중요하게는, 인간 질병에 대한 정확한 이해를 바탕으로 하여 난치병을 비롯한 각종 질병의 조기 진단 및 근원적인 치료가 가능해질 것이다. 의학적 중요성 이외에도 생명체의 총체적인 이해로부터 파생되어 나올, 상상하기 어려울 정도로 많은 다종다양한 산업이 등장할 것으로 기대된다. 앞으로 얻어질 방대한 양의 유전정보를 체계적으로 수집하고 정리하여 유용하게 사용하게 하기 위하여, 생물정보학(bioinformatics)이라는 분야가 새로이 등장하고 있다.

바이오테크놀로지의 산업적 응용 - 고대 이집트 시대에서부터 바이오테크놀로지는 이용되어왔다. 유전자 재조합 기술이 개발되기 전까지는 이와 같이 돌연변이를 일으키는 방법에 의하여 무작위 적으로 DNA를 변형시키는 방법이 사용되어져 왔다. 유전자 재조합 기술을 이용한 최초의 제품 ‘인간 인슐린’의 탄생을 이루었다. 지금으로부터 5000년도 넘는 아주 오래전에 우리의 조상들도 간장과 된장을 담가 먹었다. 이것들 모두가 미생물을 이용한 식품들이다. 그야말로 바이오테크놀로지에 의한 생산물들이다. 이렇게 오래 전부터 인류가 미생물을 이용하여 온 것에 비하면, 미생물의 존재를 발견하여 알게 된 시기는 그리 오래되지 못하였다. 대량생산을 위한 생물공정 개발과 미래의 융합기술, 나노 바이오테크놀로지까지 바이오기술의 산업적 응용은 무한하다.

영화, 만화 속에 나타난 생명공학이야기 - 갈등을 일으키지 않는 DNA, 생체 탈수를 막아주는 스포츠 음료, DNA 분자가 사용되는 신개념 컴퓨터, DNA 비밀 해독을 위한 RNA 타이클럽, DNA에 결함을 가지고 탄생한 버블보이, 단백질 구조를 바꾸는 머리카락 파마, 우유를 마시면 설사를 하는 사람들, DNA 결함과 연관된 다이어트 음료의 경고문, 괜찮은 돌연변이 과 , 유전자 재조합 기술과 스파이더맨의 탄생과정, 거꾸로 읽어도 동일한 팔린드롬-제한 효소 인지부위, 인트론 제거를 위해 찾아갔던 도살장, 달밤에 운전하며 떠올린 기술, PCR, DNA를 분석하려면 시치미를 떼지 말아야, DNA의 비밀에 대해 너무 많이 알게 된다면, 제넨텍을 경쟁에서 이기게 한 합성 DNA, 복제인간이 태어난다면, 여자아이가 커가면서 남성으로 변하기도, 인간 게놈 지도의 초안이 마련되기까지, 오염된 배양접시에서 찾아낸 보석, 페니실린, 다양한 목적의 각종 재조합 성장 호르몬, 방귀를 안 뀌려면 효소의 도움을 받아야, 산업화를 위한 생명과학자와 생물공학자의 협력, 스파이더맨과 대결하는 나노바이오테크놀로지까지 흥미진진한 생명공학 이야기로 페이지 넘기는 재미가 솔솔~

바이오 이야기(스파이더맨과 대결하는 나노바이오테크놀로지) - 이 영화의 주인공이 거미박물관을 견학하는 도중에 유전공학기술을 이용하여 만들어진 수퍼 스파이더에 손등을 물리고, 이 때 거미의 유전자가 몸속에 도입되어 거미 특유의 능력을 행할 수 있는 초능력을 갖게 되어 스파이더맨이 탄생하게 된다. 거미에게 물림으로써 거미의 유전자가 인간의 몸속으로 들어가 인간의 유전자와 재조합이 일어난다는 것은 과학적으로 비현실적인 부분이지만, 거미 유전자와 인간 유전자가 재조합이 일어나게 했다는 관점에서 보면 스파이더맨의 탄생은 바이오테크놀로지와 관련된 기술이다.
반면에 속편인 ‘스파이더맨 II'에서는 스파이더맨이 대결하게 되는 상대역인 옥타비우스 박사의 초능력은 나노바이오테크놀로지에 의한 것이라고 할 수 있다. 인간의 뇌와 정교한 로봇 팔이 연결되어 인간의 의지에 의해 4개의 로봇 팔이 움직여지는데, 인간의 뇌를 로봇팔의 제어 시스템과 연결하기 위하여 나노 와이어를 사용하고 있다. 즉 인간의 뇌로부터 나오는 신호를 전달하는 가닥인 신경을 로봇팔 제어 시스템과 연결하는 도구로서 나노 굵기의 전선을 사용하였다는 것이다. 즉 바이오테크놀로지(BT)와 나노테크놀로지(NT)의 융합기술이다. 더 엄밀히 말하자면, 정보 기술인 IT까지도 함께 융합된 기술이라 할 수 있다. 뇌와 컴퓨터(로봇팔 제어 시스템)를 연결하는 기술은 요즈음 한창 연구가 진행되고 있는 BT와 IT의 융합기술인 브레인-컴퓨터 인터페이스 기술이고, 이 영화에서는 여기에 나노 와이어가 접목되고 있다. 즉, BT, IT, NT의 융합기술인 것이다.
이 영화의 클라이맥스는 바이오테크놀로지에 의해 탄생한 스파이더맨과 나노바이오테크놀로지의 결정체인 4개의 로봇팔을 가진 옥타비우스가 달리는 기차 지붕 위에서 펼치는 숨 막히는 한판 대결이다.
물론 이 영화에서는 주인공인 바이오테크놀로지(스파이더맨)가 악당인 나노바이오테크놀로지(옥타비우스)를 제압하는 쪽으로 결말이 지어진다. 힘이 부친 옥타비우스는 기차의 제동장치를 파괴시키고 퇴각한다. 수많은 승객을 태우고 걷잡을 수 없이 질주하는 기차를 세우기 위하여, 스파이더맨은 기차를 멈추기 위해 바이오 물질인 거미줄을 이용한다.
질주하는 기차에서 기찻길 양옆에 늘어 선 건물들을 향해 연신 거미줄을 발사하여 건물 벽에 부착시킨다. 기차와 건물 벽을 연결하고 있는 거미줄은 기차가 질주함에 따라 점점 팽팽해지고, 거미줄 특유의 강한 인장력으로 인해 낭떠러지로 굴러 떨어지기 바로 전에 가까스로 기차가 멈춰 서게 된다. 거미줄은 단백질의 일종으로서, 분자구조가 가장 간단한 두 종류의 아미노산을 주성분으로 하여 이루어졌으며 매우 규칙적으로 배열된 형태의 구조를 가지고 있다. 거미줄은 실제로 같은 무게의 강철과 비교하여 인장강도가 5배 강하고 나일론에 비해 2배의 신축성을 가지고 있다고 알려져 있다.