‘그 탐험가는 우연히 멸종된 줄 알았던 고양이를 발견했다. 그는 멍하니 서서 그 멸종 복원 동물을 바라봤다. 그의 머릿속에는 어떤 생각도 떠오르지 않았다.’ 이 같은 멸종 복원의 실현, 즉 과학이 고도로 발전해 ‘영원한 멸종’이라는 개념이 사라진다는 것은 매우 신나면서도, 매우 끔찍한 일이다. 적어도 필자에게는 그렇다.
필자는 캘리포니아대학교 산타크루스캠퍼스의 생물학 교수다. 학교에서 원시 게놈학(paleogenomics) 연구실을 이끌면서 ‘고대 DNA’라는 생물학 분야를 집중 연구하고 있다. 필자를 포함한 이 분야의 연구자들은 멸종된 생물의 뼈와 치아, 털, 씨앗 등 여러 조직에서 DNA를 추출한 뒤 그 서열을 분석한다. 필자의 경우 지금껏 자이언트 곰과 도도새, 원시 초원들소, 카멜롭스, 검치호(劍齒虎) 등 다양한 멸종 동물의 DNA를 연구했다.
70만 년 전 죽은 유해(화석)에서 추출한 것이니 DNA의 상태는 대부분 지독할 만큼 형편없다. 하지만 조각난 DNA 서열들을 하나하나 맞춰내면 그들이 살아온 진화의 역사를 대부분 이해할 수 있다. 어떤 종을 조상으로 하여 언제 어떻게 분리됐는지, 빙하기라는 극심한 기후변화에 어떻게 적응했는지, 그리고 당시의 환경에 맞춰 어떤 모습과 행동 방식을 가졌는지도 파악 가능하다.
한 조각의 뼈에서 추 출한 DNA만으로 이토록 많은 정보를 알아낼 수 있다는 것은 정말 놀랍고도, 매혹적인 일임에 틀림없다. 그러나 연구결과를 발표할 때마다 필자가 가장 많이 받는 질문은 학문적 의미와는 전혀 상관이 없다. 사람들은 이렇게 묻는다.
“그렇다면 매머드를 복제할 수 있다는 건가요? ”
희한하리만치 꼭 매머드를 언급한다. 어쨌든 이 질문에는 한 가지 전제가 깔려 있다. 멸종 동물의 DNA 서열분석을 완료하면 복제도 가능해야 한다는 것이다. 유감스럽지만 이는 과학적 진실과 거리가 멀다.
지난 1996년 스코틀랜드 에든버러대학 산하 로슬린 연구소에서 복제 양 ‘돌리’를 만들어냈을 때 연구팀은 6년생 암컷 양에게서 떼어낸 유방 조직의 체세포 DNA를 복제하는 방법을 사용했다. 이를 ‘체세포 핵이식(SCNT)’, 간단히 '핵이식’이라 한다.
멸종된 동물의 경우 핵이식을 통한 복제가 불가능하다. 핵이식을 하려면 살아 있는 세포가 필요한데 얼어붙은 툰드라 지역이나 빙하 같은 곳에서 발견된 사체에 그런 세포가 남아 있을리 없다.
세포 DNA는 생명체가 사망한 직후부터 분해되기 시작한다. 동물과 식물의 세포에는 DNA를 분해하는 효소가 들어 있기 때문이다. 바로 ‘뉴클레아제(nucle ase)’ 다. 이 효소는 세포는 물론 눈물과 타액, 땀, 심지어 사람의 손가락 끝부분에서도 발견된다.
우리가 살아있는 동안 뉴클레아제는 필수적 기능을 수행한다. 인체에 침입한 병원균을 파괴해주며, 손상된 DNA를 제거해줘 세포가 손 상부위를 고칠 수 있도록 해준다. 또한 세포가 죽으면 세포 속 DNA를 분해, 죽은 세포의 효율적 처리를 돕는다.
실험실에서라면 신선한 샘플을 화학반응 억제제 용액에 담그거나 급속 냉동하는 방식으로 뉴클레아제의 작용을 막고, DNA를 지킬 수 있다. 하지만 설령 북극이라고 해도 매머드처럼 덩치 큰 동물의 DNA 분해를 막을 만큼 신속한 냉동은 불가능하다.
핵이식이 어렵다면 영화 ‘쥬라기 공원’에서 사용한 기술로 멸종 동물을 되살릴 수는 없을까. 영화에서는 호박 속에 보존된 모기 화석으로부터 공룡의 혈액을 뽑아 유전자를 얻는데, 이와 유사한 기술이 현실세계에서 활용되고 있다.
영화의 경우 공룡 게놈의 일부를 개구리의 DNA로 메워 넣었다. 문제는 어떤 DNA 조각이 공룡의 외모와 행동을 공룡답게 만들고, 어떤 DNA조각이 없어도 되는지를 알 수 없다는 것. 아마도 영화 속 과학자들은 빠져있던 부분이 쓸모없는 부분이기를 바라면서 작업을 했겠지만 결국 개구리 DNA로 인해 복원된 공룡의 성별이 바뀌면서 재난적 상황이 연출된다.
때문에 현재의 멸종 복원 프로젝트에서는 어떤 부분의 DNA가 멸종생물의 외관과 행동방식을 결정하는지를 알아내는 게 핵심이다. 이후 현존 동물 중 멸종동물과 진화론적 계통이 가장 가까운 종에서 해당 부분을 찾아내고, 그 부분의 주요 DNA 서열을 멸종 동물의 것으로 교체하는 방식을 사용한다. 물론 말이 쉽지 실제로는 엄청나게 어려운 기술이다.
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매머드, 아시아 코끼리, 아프리카 코끼리는 약 600만 년 전 살았던 공통조상에서 분리됐다.
매머드는 수백만 년간 독자적으로 진화해왔다는 얘기다. 즉 매머드의 게놈 가운데 코끼리와 분리된 이후에 변한 부분이 복 원의 성패를 결정하는 핵심의 하나다. 이 부 분의 게놈 서열을 복원해야 진정한 의미의 멸종 복원이 이뤄지는 것이다.
그나마 다행인 것은 굳이 매머드 전체를 복제하지 않고도 그 특성과 행동방식을 알아낼 수 있다는 사실이다. 예컨대 매머드처럼 털이 무성하게 자라도록 하는 DNA 서열을 알아내면 코끼리의 게놈을 조작, 매머드와 유사한 털북숭이 코끼리를 만들 수 있다. 매머드 복제와 매머드의 특성 복제는 분명 다른 것이지만 좋은 첫걸음임에는 틀림없다.
과학기술 발전에 힘입어 멸종 생물의 세포나 DNA 서열 조작, 그리고 현존 생물의 게놈 조작 등에 필요한 지식은 10년 전보다 크게 늘어났다. 이 세 가지 기술은 멸종 복원을 현실화시켜줄 핵심 요소다.
그 구체적인 방법은 다음과 같다. 일단 보존 상태가 양호한 뼈 화석을 구해야 한다. 이 화석에서 멸종 동물의 완벽한 게놈 서열을 알아낸다. 이후 현재 살아있는 동물 중 진화론적으로 가 장 가까운 동 물의 게놈과 비교 분석한다.
매머드를 예로 들면 아시아 코끼리가 근친에 해당한다. 따라서 두 종의 게놈 차이를 확인해 아시아 코끼리의게놈을 어떻게 조작해야할지 결정한다. 이후 게놈 조작은 더 매머드스러운 게놈이 완성될 때까지 한 번에 몇 개의 DNA 염기를 조작하는 방식으로 진행된다. 이렇게 만든 게놈을 주입한 세포를 배아로 성장시킨 뒤 암놈 아시아 코끼리의 자궁에 착상시키면 20~22개월 뒤 아기 매머드가 태어나는 것이다.
과학자들은 이미 매머드의 뼈에서 추출한 DNA 조각들을 이어 붙여 대다수 게놈의 서열 분석을 완료한 상태다. 매머드 부활 연구의 선두주자로 꼽히는 미국 하버드 의대 유전학부 조지 처치 교수팀의 경우 이미 새로운 게놈 교정(genome editing)도구를 이용해 매머드가 지닌 14가지 특징의 발현에 관여하는 DNA를 코끼리의 게놈에 이식한 상태다. 무성한 털과 두터운 지방층, 저온에서 산소를 더 효율적으로 운반하는 혈액세포 등이 그것이다.
현재는 이 세포를 매머드로 성장시킬 수 없지만 연구팀은 그에 필요한 기술도 개발 중이다. 성공한다면 일부기는 해도 매머드의 DNA를 이식한 배아가 살아 숨 쉬는 생명체로 태어날 수 있다.
여기서 한 가지 의문이 들 수 있다. 매머드의 게놈을 극히 일부 가진 코끼리를 탄생시키는 것이 매머드의 부활과 같다는 걸까. 물론 그건 아니다. 그것은 1단계의 멸종 복원이다.
인간을 포함한 동물은 단순히 DNA의 기본 구성단위인 뉴클레오티드들을 상징하는 A(아데닌), T(티민), C(시토신), G(구아닌)로 표현되는 것 이상의 복잡한 존재다.우리는 지금도 이 뉴클레오티드를 어떤 순서로 연결해야 실물과 동일한 모습과 행동방식을 가진 생명체를 만들 수 있는지 완벽히 알지 못한다. 그 경지에 도달하려면 잘 보존된 화석을 발견해 게놈 서열을 분석하는 것 이상이 요구된다.
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과연 성공적인 멸종 복원은 어떤 모습일까. 필자는 흥분한 과학자와 수의사들의 보살핌 속에 털북숭이 새끼를 낳는 아시아 코끼리를 떠올리지 않는다. 또한 이렇게 태어난 새끼들이 동물원의 철창에 갇혀 아이들의 놀란 시선을 받는 상황도 상상하지 않는다.
필자는 북극의 초원지대에서 매머드 혹은 매머드스러운 동물 가족들이 한가로이 풀을 뜯으며 순록들과 함께 살아가는 모습이야 말로 성공적 멸종 복원의 결과라고 생각한다. 자유롭게 돌아다니면서 인간의 도움 없이 멸종당할 걱정 없는 삶을 살 아가는 모습 말이다.
이것이 바로 개별 개체의 복제에 성공하고, 그 개체들을 모두 자연에 방생할 때 구현되는 멸종 복원의 2단계다. 여기에 이르지 못하면 멸종 복원은 성공한 게 아니라고 본다. 이 같은 이상적인 모습은 미래에 현실이 될 수도 있지만 무수한 난제들을 극복해야한다.
주지하다시피 매머드의 게놈 서열을 거의 완벽히 분석했다고 끝이 아니다. 그 서열을 사소한 부분 하나도 완벽히 이해함으로써 진정 매머드처럼 생기고, 매머드처럼 행동하는 동물을 복제하기까지는 갈 길이 멀다. 어디서부터 시작해야하고, 앞으로 얼마나 더 많은 연구를 해야 하는지 짐작조차 어려운 이유가 여기에있다.
또 다른 문제는 종간, 또는 개체간의 차이를 만들어내는 몇몇 핵심적 특성이 후성유전학적 산물이라는 점이다. DNA가 아닌 환경적 요인에 의해 그 종을 그 종답게 만들어주는 특성이 결정된다는 뜻이다.
일례로 새끼 매머드는 새끼 코끼리와 마찬가지로 어미의 대변을 먹는다. 자신의 장내에 먹이의 소화를 돕는 미생물 군집을 형성하기 위함이다. 그러니 매머드의 복제에 성공해도, 매머드의 장내 미생물을 재현해내지 못하면 실제 매머드와 다른 습성을 보일 수 있다.
그럼에도 필자는 수년 내 누군가 멸종 복원에 성공했노라고 발표할 것이라 믿는다. 물론 그때는 높은 수준의 잣대를 통한 검증이 수반돼야 한다. 단 하나의 매머드 유전자를 넣은 코끼리 배아가 새끼로 태어나 성체가 될 때까지 생존하면 멸종 복원의 성공으로 볼 수 있을까. 순수주의자들은 아니라고 할 것이다.
하지만 이 털 많은 코끼리가 추 위를 이겨내는 능력이 월등히 뛰어나다면 어떨까. 또는 외모를 닮은 것을 넘어 과거 매머드가 살던 곳에서 정상적으로 생식하고, 무리지어 살아갈 수 있다면?
멸종 복원의 성패를 가 늠하는 기준은 사람마다 다르겠지만 필자는 매머드 DNA를 지닌 동물이 매머드가 살았던 곳에서, 매머드와 동일하게 행동하며 살아간다면 멸종 복원이 성공했다고 본다. 설령 그 동물의 게놈이 매머드보다 코끼리에 확연히 더 가깝더라도 말이다.
멸종복원을 통해 인간들은 오늘보다 나은 내일을 열어갈 수 있다. 100% 완벽한 매머드나 여행비둘기의 부활은 불가능할지도 모른다. 그러나 지금 중요한 것은 우리가 매머드 유전자의 발현이 가능하도록 코끼리 세포를 조작할 수 있다는 점이다.
수년 내에 이 매머드 유전자는 살아있는 코끼리의 몸안에서 단백질을 만 들 것이며, 그런 코끼리들은 더 이상 서식지 파괴가 진행되고 있는 아프리카나 아시아에 머물지 않을 것이다. 추위에 강한 능력에 힘입어 알래스카와 툰드라 같은 혹한지에서도 원활히 생존할 수 있는 덕분이다. 그렇게 8,000년 전 사라진 덩치 크고, 활발했던 초식동물들의 역할을 이어받아 환경 복 원에 기여할 것이다.
실제로 대형 초식동물들은 나무를 넘어뜨리고, 수풀을 밟고 다니면서 씨앗과 영양분을 멀리 전파한다. 또 눈을 걷어내 시베리아 영구동토를 겨울 추위에 노출시킬 수도 있다. 이 경우 지면 온도가 낮아져 땅속에 갇혀 있던 온실가스의 배출 속도를 늦출 수 있다.
결국 멸종 복원은 미래 환경 변화에 대응하고자 인류가 추진하는 어떤 전략과도 다르다. 멸종 복원은 우리에게 완전히 새로운 가능성을 제시하고 있다.
[로봇 복제]
DNA를 구할 수 없다고? 고대 생물을 로봇으로 부활시킬 수도 있다
영화 ‘쥬라기 공원’의 방식대로 공룡을 부활시킬 날은 영원히 오지 않을 수도 있다. 설령 잘 보존된 모기의 몸속에서 공룡 DNA를 찾았더라도 DNA가 쓸 수 없을 만큼 파괴돼 있을 개연성이 높은 탓이다.
새로운 학문인 ‘로봇 고생물학(robo-paleontology)’이 일부나마 이 난제를 풀어줄 열쇠가 될 수 있다. 화석을 통해 멸종된 생물의 모습을 알아냈다면 로봇을 이용해 그 움 직임을 재현할 수 있기 때문이다.
일례로 우리는 3억여년 전 인류의 선조가 지느러미를 어떻게 이용해 물 밖으로 기어 나왔는지 알고 있다. 하지만 ‘발 달린 물고기(fishapod)’라 불리는 이 동물이 수영에 최적화된 몸을 가지고 지상에서 어떻게 움 직였는지는 알지 못한다.
이를 파악하고자 미국 조지아공대의 다니엘 골드먼 박사팀은 현존하는 발 달린 물고기인 말뚝망둥어를 모사한 로봇을 제작했다. 현재 이 로봇을 다양한 지형에 올려놓고 제대로 이동하는지를 관찰, 어떻게 땅위를 걸었는지 진화의 단서를 찾고 있다.
미국 드렉셀대학의 켄 라코바라 박사팀도 몸무게 65톤의 공룡 드레드노투스(dreadnoughtus)’를 로봇으로 환생시켰다. 2014년 아르헨티나에서 화석으로 발견된 이 공룡은 지금껏 발견된 지구 역사상 최대의 육상동물이다. 연구팀은 화석의 상태가 매우 양호하다는 점에 착안, 발견된 145개의 뼈를 스캔해 3d 프린팅했다. 또한 철사로 근육을, 고무판으로 연골을 만들어 실물 10분의 1 크기의 로봇을 완성했다. 이 로봇과 컴퓨터 시뮬레이션을 접목, 라코바라 박사는 드레드노투스가 어떻게 칼로리 소비를 줄이면서 거대한 덩치를 효율적으로 움 직이는지 파악해냈다.
생물학자들이 너구리나 참치, 흑곰을 이해하듯 멸종된 공룡을 이해하도록 만드는 것이 저희 목표입니다.”
[부활을 기다리는 동물들]
과학자들이 부활시키려는 멸종 생물은 매머드만이 아니다.
오록스 aurochs
이유: 1627년 멸종된 몸길이 3m, 신장 1.8m의 야생소. 이런 초식동물들은 유럽의 초지 복 원에 도움을 줄 수 있다.
방법: 오록스는 가축 소의 조상이다. 때문에 몇몇 종의 소들은 아직 오록스의 특성을 지니고 있다. 이에 네덜란드의 TNF는 선택교배를 통해 이 특성들을 하나의 개체에 모으려 한다. 야생소의 가축화를 역으로 진행하는 것. 여러 세대의 선택교배를 거치면 오록스와 비슷한 녀석이 태어날 것이다.
진척도: 이 연구에 활용할소의 품종 선별작업에 착수했다. 모두 희귀종이며, 멸종 위기종도 포함돼 있다.
부카르도 bucardo
이유: 스페인의 산악지형에 살았던 염소의 일종. 2000년 떨어지는 나무에 맞아 마지막 개체 ‘실리어(celia)’가 황망하게 죽음으로써 멸종 동물에 이름을 올렸다.
방법: 프랑스, 스페인, 독일 공동연구팀이 액체질소로 보존된 실리어의 사체에서 세포핵을 추출, 체세포 핵이식을 통해 암컷 아이벡스의 난자에 삽입했다. 그리고 염소와 아이벡스 교배종의 자궁에 이식했다.
진척도: 2003년 복제 실리어가 태어났지만 폐에 문제가 있어 10분 만에 질식사했다. 연구팀은 실리어의 남은 세포들로 재 도전을 검토 중 이다
위주머니보란개구리 gastric rooding frog
이유: 호주에서 처음 발견된 직후인 1980년대에 멸종됐다. 이 종의 암컷은 위산(胃酸)을 제어해 자신의 위 속에서 알을 키운다. 이런 능력은 새로운 위궤양 치료법 개발에 유용한 정 보를 줄 수 있다.
방법: 한 냉동고에서 잘 보존된 조직 표본이 발견되면서 체세포 핵이식이 가능해졌다. 이후 호주 대학들로 구성된 공동 연구팀이 줄무늬 개구리의 난자에 이 개구리의 세포핵을 이식했다.
진척도: 실험용 접시 위에서 초기 배아단계까지 세포분열시키는데 성공했다. 다음 단계는 올챙이로 성장시키는 것이다.
여행 비둘기 Passenger Pigeon
이유: 한때는 개체수가 수십억 마리에 달했지만 인간의 마구잡이 사냥으로 1914년 멸종됐다. 이의 복제는 늦었지만 책임있는 행동임에 틀림없다.
방법: 새의 난자는 과학자들이 핵에 도달하기도 전에 배아로 변한다. 이에 미국의 한 연구팀은 띠무늬꼬리비둘기의 배아를 원시 생식세포에 주입, 여행비둘기와 가급적 유사하게 DNA를 조작할계획이다. 이 생식세포가 정자 또는 난자로 성장, 여행비둘기와 유사한 생물을 탄생시킬 것이다.
진척도: 연구팀은 여행비둘기의 게놈지도 작성을 위해 박물관에 전시된 표본 43마리의 게놈 서열을 분석, dna 추출을 마쳤다. 표본 중에는 4,000년 묵은 것도있다.
뉴잉글랜드 초원뇌조 Heath hen
이유: 한때 뉴잉글랜드 생태계의 일원이자 현지인들의 주식이었지만 남획 때문에 19세기 후반 뉴잉글랜드에서 사라졌다. 이후 미국 메사추세츠주 마서스 비니어드 섬에서 이 새의 보존 노력이 있었지만 실패로 돌아가며 1932년 멸종됐다. 최신 게놈 편집 기술이 부활의 마지막 희망이다.
방법: 오래전 죽은 이 새의 뼈에서 얻은 dna 조각으로 전체 게놈을 매핑하려면 근친 종인 큰초원뇌조의 게놈을 토대로 삼아야한다.
진척도: 미국 연구팀이 큰초원뇌조의 게놈을 수집함과 동시에 또 다른 초원뇌조의 근친종 9종의 게놈 서열을 분석중이다.
이 기사는 올5월 출간된 베스 샤피로 교수의 저서 '메머드 복제하는 법: 멸종복원의 과학'의 내용을 기반으로 작성됐다.
SCNT Somatic Cell Nuclear Transfer
TNF True Nature Foundation
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