일본산업뉴스요약

Next Tech 2030
인공세포가 ‘물질 공장’이 된다
도쿄대학 등, 게놈을 PC로 자유롭게 설계하는 기술 개발

-- 원하는 단백질 간단히 만들 수 있어 --
생명의 설계도인 게놈. 도쿄대학 등 대학 및 기업으로 구성된 연구팀은 게놈을 인공적으로 만들어 이를 바탕으로 단백질 합성 생체 기능을 재현하는 ‘인공세포’ 개발을 추진하고 있다. 원하는 기능을 가진 단백질을 단시간에 낮은 가격으로 만들 수 있게 된다. 2030년대에는 컴퓨터를 통해 유전자를 자유롭게 설계해 원하는 물질을 간단히 만들 수 있는 기술이 실현될지도 모른다.

직경 수 마이크로미터(μm)의 매우 작은 구멍이 많이 있는 플레이트. 이 구멍들 중 몇몇에서는 형광 빛이 나왔다. “이 구멍 하나하나가 인공세포입니다”라고 도쿄대학의 노지(野地) 교수는 설명한다. 구멍에는 유전자에서 단백질을 만들기 위해 필요한 용액이 들어있다. 형광 빛이 나는 구멍에서는 실제로 유전자에서 단백질이 만들어져 있다고 한다.

유전자는 4종류의 염기로 구성되어 있고, 그 알파벳(A, G, C, T) 배열 순서에 따라 단백질 종류 및 기능이 달라진다. 작은 미생물이라도 약 20만개의 염기가 이어져 있어 게놈을 만들 수 있다. 원하는 기능을 가진 게놈을 인공적으로 만드는 것은 현재의 기술로는 어렵고, 약 수백 억의 비용이 든다고 한다.

통상적으로 게놈의 일부를 편집해 원하는 물질을 많이 만들 수 있는 미생물 개발이 추진되고 있다. 미생물이 약이나 기름 등의 유용 물질을 만들도록 유전자를 개변하는 연구는 많이 있고, 그 중에서도 말라리아의 특효약인 ‘아르테미시닌(Artemisinin)’ 생산이 유명하다. 이 약은 예전에는 특정 식물로밖에는 만들 수 없었기 때문에 매우 고가였지만, 미생물로 만들 수 있게 되어 약 가격이 낮아져 급속하게 보급되었다.

-- 인위적으로 합성 --
하지만 이러한 방법의 경우, 원하는 미생물을 만드는데 시간이 걸린다. 기능을 조금 바꾸기만 한다고 해도 여전히 만드는 것은 어렵다. 이를 해결하기 위해 도쿄대학의 노지 교수 연구팀은 인위적으로 게놈을 합성, 이를 기반으로 인공세포를 이용해 특정 단백질을 만드는 연구를 추진하고 있다.

이번 연구는 내각부의 혁신적연구개발추진프로그램(ImPACT)에 채택. 릿쿄(立教)대학과 오사카대학 등의 대학뿐만 아니라 기업들도 참가하고 있다.

인공세포의 재료로써 필요한 것은 인공적으로 만들어낸 유전자와 유전자에서 단백질을 만드는 장치이다. 노지 교수는 이 두 가지 재료의 역할에 대해 “컴퓨터의 기본 소프트웨어(OS)와 출력하는 하드웨어의 관계와 비슷하다”라고 말한다.

-- 신규 약제에 기대 --
유전자를 인공적으로 만드는 기술은 릿쿄대학을 중심으로 개발이 추진되고 있다. 약 10만개의 염기가 이어진 인공 게놈을 만들기 위해서는 짧은 DNA 사슬을 연결해 길게 만든다. 연구팀은 1,000개 염기 정도의 사슬을 효소를 이용해 연결, 수 시간에서 수 일 안에 10만 염기 정도를 연결하는 방법을 개발했다. 1년 이내에 1개의 염기로 게놈을 만들어내는 것이 목표이다.

인공세포를 이용한 물질 생산은 미생물을 이용하는 기술에 비해 연구자가 설계도를 설계해 만들기 때문에 자연계에는 없는 단백질도 제조할 수 있어 신규 약제 발견으로 이어질 수 있다고 한다. 주변 환경의 영향을 받기 쉬운 미생물에 비해 기계적으로 제어가 가능한 인공세포는 관리하기도 쉽다.

노지 교수는 “앞으로 3D프린터처럼 컴퓨터로 유전자를 설계해 인공세포를 이용한 단백질을 만드는 장치를 개발하고 싶다”라고 말한다. 이것이 실현된다면, 예를 들어 신종 감염병이 발생해도 바이러스의 유전자만 알 수 있다면 현지에서 바로 백신을 만들 수 있게 된다. 또한 유전자 설계로 인공지능(AI)를 이용해 막대한 종류의 후보 단백질을 간단히 만들 수 있어 신약 개발시간이 크게 단축될 수 있다고 한다.

하지만 이러한 기술에 대한 우려의 목소리도 있다. 긴 사슬의 DNA를 누구나가 만들 수 있게 된다면, 바이러스를 만들어 악용하는 바이오 테러 등이 일어날 위험성도 있다. ImPACT에서는 현재, 각국의 연구 및 규제 상황을 참고해 적절한 대처 방법을 모색 중이다. 도쿄대학 등도 안전성을 중시하며 연구를 추진하고 있다.

인공 DNA 세균 이미 탄생
보급 과제는 안전성

미국에서는 이미 모든 것이 인공 DNA로 만들어진 세균이 만들어지고 있다. 휴먼 게놈 해독으로 알려져 있는 크레이그 벤터 박사 연구팀은 2010년, DNA를 모두 인공 DNA로 바꾼 세균을 제작, 2016년에는 최소 유전자 세포를 만들었다. 유전자 기능 분석에 도움이 된다고 한다. 하지만 DNA의 합성에 미생물의 힘이 이용되기 때문에 막대한 시간과 비용이 든다. 이에 비해 도쿄대학 등의 연구는 “효소를 이용하기 때문에 비용이 저렴하다”(노지 교수)라고 한다.

게놈 합성 보급을 위한 과제는 안전성이다. 누구나가 간단히 바이러스 유전자를 만들 수 있기 때문에 바이오 테러가 발생할 위험성이 있다.

현재는 DNA 단편을 업자로부터 매입해 연결시키기 때문에 위험한 배열의 DNA 판매를 규제할 수 있다. 하지만 처음부터 개인이 합성할 경우, 규제가 힘들다. 노지 교수는 “위험한 바이러스 유전 정보로의 접속을 제한하는 등의 규제가 필요할 수 있다”라고 말한다.

▶ 인공세포와 게놈 합성 연구의 역사
1953년: 왓슨과 크릭(Watson-Crick)이 DNA의 이중 나선 구조를 발견
2001년: 도쿄대학이 무세포로 유전자에서 단백질을 만드는 방법을 개발
2003년: 사람의 모든 게놈이 해독
2010년: 미국의 벤터 박사가 100% 인공 게놈으로 만든 세균을 개발
2012년: 오사카대학이 세포 분열을 인공적으로 재현
2017년: 릿쿄대학이 긴 DNA 사슬을 만드는 신기술을 개발
2023년경: 인공게놈에서 단백질을 만드는 장치의 프로토타입(Prototype) 완성
2030년대: 컴퓨터로 누구나 게놈을 설계할 수 있는 시대 도래

 -- 끝 --