1. 게놈기술
게놈기술을 연구개발하는 주요 목적은 의약, 화학, 농업 등의 분야에 적용할 수 있는 새로운 방법 및 제품을 개발하는 데 필요한 유전학적인 정보를 사용하기 위한 것이다. 연구영역은 정보체계, 분자생물학, 미생물학, 생화학 분야의 기술 및 지식을 포함한다.
이 분야 산업의 성장과 발전에는 정보기술(IT)이 매우 긴요하다. 세계 각국이 인체 게놈의 구조를 밝히려는 노력을 기울임에 따라 산업계의 관심이 높아지고 있다. 게놈기술은 기본적으로 배열 게놈기술, 기능 게놈기술, 생물정보공학 등으로 구분할 수 있다.
배열 게놈기술에는 유전자 전체 또는 일부의 정확한 순서를 알아내기 위한 유전자 배열과 염색체 안에서의 유전자 위치와 범위를 확인하기 위한 유전자 지도 작성이 포함된다. 기능 게놈기술은 유전자 단백질 합성 및 유전자 경로를 밝혀내는 기술이며, 생명정보공학은 컴퓨터를 사용해 유전자 배열, 지도작성, 기능을 연구개발하는 과정에서 생성되는 정보를 분석하는 작업이다.
단백질 자체와 그 상호작용을 연구하는 단백질공학은 게놈배열과 세포작용과의 관계에서 알려지지 않은 부분을 밝히는 데 중요하다. 단백질공학과 게놈정보는 새로운 진찰 및 치료기술 개발을 가능케 함으로써 인간보건 증진을 위해 그 중요성과 적용범위가 점차 커지고 있다.
DNA는 생물체의 기본 유전자 물질이다. 그것은 각 생명체의 구조를 형성하고 기능을 유지하는 데 필요한 정보를 갖고 있다. DNA는 아데닌(A), 시토신(C), 구아닌(G), 티민(T) 등 네 가지 화학물질 또는 뉴클레오티드 염기로 구성되어 있다. 아데닌과 티민, 시토신과 구아닌이 서로 묶여 있듯 각 뉴클레오티드는 보완적인 형태로 엮어져 있다. 이렇게 해서 두 가닥의 DNA가 하나의 이중 나선형체를 형성하고 있다.
염기의 순서는 DNA의 배열로 고유의 특성을 가진 특정 유기체를 만들어내는 데 필요한 구체적이고 정확한 유전적 명령을 내린다. 또 유전자는 단백질을 형성하는 데 필요한 정보를 갖고 있는 뉴클레오티드 염기의 배열이며 단백질은 세포, 조직 및 기본적 생화학 반응을 나타내는 효소의 구조적 구성체를 제공해준다.
인체의 DNA에는 23쌍의 염색체가 있고 인체 게놈에는 30억쌍의 뉴클레오티드가 있다. 최근 ‘셀레라지노믹스’와 ‘인체게놈 프로젝트(HGP:Human Genome Project)’가 발표한 바에 따르면 인체 게놈 안에는 3만∼4만개 유전자가 있는 것으로 나타났다. 유전자 안에 있는 정보를 표현하기 위해 DNA배열은 보완적 리보핵산(RNA) 가닥을 생성하는 데 필요한 주형의 역할을 한다.
◇배열 게놈기술=게놈기술 분야에서 가장 괄목할 만한 국제적인 연구사업은 모든 인체 유전자를 발견하고 배열하는 프로젝트다. 이 프로젝트는 당초 15년 동안 추진할 계획이었으나 기술의 급속한 발달로 오는 2003년이면 완료될 것으로 예상된다. 소요비용은 뉴클레오티드당 10센트가 될 것으로 추산된다. 유전자 배열기술을 향상시키려면 소프트웨어, 컴퓨터 및 자동화 기술 등이 더욱 발전되어야 한다.
인체 게놈의 배열방법은 다양하다. HGP는 약간 보수적인 접근방식을 채택해 먼저 예비 지도를 작성한 다음 이를 바탕으로 게놈을 배열하는 방식을 사용하고 있다. 게놈을 완전하게 배열한 것이 최고 수준의 물리적 지도다. 반면 셀레라지노믹스는 ‘엽총배열’ 방식을 채택하고 있다. 과학자들은 처음에 이 방식을 미생물 게놈을 배열하는 데 채택하다가 최근 들어서는 파리 게놈을 배열하는 데 사용하고 있다. 또 현재 쥐의 게놈을 배열하는 데도 이 엽총방식을 사용하고 있다. 그러나 HGP는 엽총배열 방식이 덜 정확하고 배열된 부분 사이의 격차를 줄이려면 자원이 더 많이 필요하다는 이유로 이를 채택하지 않고 있다. 비용 효율성이 높아지고 단일 뉴클레오티드 다형(多形)이 개발되면 제약업계에서 약물유전기술이 더 널리 응용될 것이다.
배열기술은 DNA의 부분을 차지하는 뉴클레오티드 염기의 순서와 형태를 정하는 데 그 목적이 있다. DNA배열의 기본기술은 프레드릭 생거가 개발한 배열 프로토콜에 의존하고 있다. 인체 이외의 생체 게놈을 배열하는 데는 메틸 여과기술과 같은 대체기술을 사용하고 있다.
게놈의 특정 자리나 표지(標識)의 위치를 확인하는 지도에는 유전자지도와 연결지도 두 가지가 있다. 유전자지도는 질병의 특성, 물리적 특징 또는 특정 염색체와 연결된 무작위 동질이상(同質異像) 등을 나타낸다. 연결지도는 돌연변이 유전자의 유전형질과 특정 염색체의 유전형질의 표지를 대조하는 지도다. 지도작성 기술은 배열 데이터의 위치를 확인하고 방향을 설정하는 데 중요할 뿐 아니라 진료 및 환경 감시에 유용하다.
20세기 초 인체가 게놈의 자리를 유전하는 빈도를 알아내기 위해 염색체의 유전자지도 작성을 시도한 결과 부모로부터 염색체를 유전받을 때 두 개의 유전자가 재결합하는 비율은 유전자간 거리와 상관관계가 있다는 것을 알아냈다.
◇기능 게놈기술=게놈의 구조와 구성요소가 더 많이 밝혀짐에 따라 이의 복잡한 생물학적 시스템과 네트워크를 시스템 지향적으로 연구할 필요성이 대두되고 있는데, 이를 연구하는 것을 기능 게놈기술이라고 한다. 유전자의 기능을 평가하는 데는 유전자시스템 모델 개발과 유전자 단백질 합성의 분석 등 두 가지 방법이 사용된다. 모델시스템 개발에는 주로 곤충이나 쥐 등을 사용한다. DNA 마이크로 배열은 유전자 단백질 합성을 연구하는 데 매우 중요한 기술이다. 관련기술이 계속 개발되고 다양한 유전자 정보가 확보됨에 따라 앞으로 DNA 마이크로 배열에 대한 수요가 상당히 늘어날 것으로 보인다.
최근 인체게놈 지도 초안이 완성됐으나 이는 분자수준에서 사람의 건강과 질병에 영향을 미치는 유전자의 구성요소를 확인해주는 데 불과하다. 이러한 요소가 건강을 유지하고 질병을 확인하는 데 기능적 역할을 별로 하지 않기 때문에 기능 게놈기술을 연구하는 사람들은 유전자 내용, 즉 단백질도 연구하는 쪽으로 방향을 선회하고 있다. 배열 게놈기술에서와 마찬가지로 기술개발, 통합, 자동화 및 복잡하고 상호 연결된 데이터를 관리하고 분석하는 정보공학 접근방식이 기능 게놈기술을 발전시키는 주요 요소가 될 것으로 보인다. 기능 게놈기술은 배열게놈 및 게놈지도 기술보다 뒤떨어져 있으며 아직 유아기에 있다.
연구원들은 유전자의 기능을 평가하기 위해 다년간 파리나 효모 또는 생쥐의 유기물을 모델로 사용했다. 인간과 포유동물의 유전자에는 공통적인 요소가 많이 있으나 구조와 단백질 생성물의 활동은 다르다. 기능 게놈기술을 모델 유기물에 적용하는 전략에는 녹아웃기술, 비교분석 및 전체 게놈 단백질 합성 등이 있다. 특정 유전자의 효과를 제거함으로써 유전자의 기능을 확인하는 녹아웃기술은 기능 게놈기술의 중요한 툴이다.
다른 상황에서의 메신저 리보핵산(mRNA)의 차이를 정확히 계량할 수 있는 기술에 대한 수요가 늘어나고 있다. 단백질 합성의 분석을 통해 세포에 있는 mRNA를 측정함으로써 어느 유전자가 활동적이고 또 어느 정도 활동적인지를 판단할 수 있다. 이 기법은 목표로 하는 조직 안에서의 유전자 단백질 합성을 신속하게 탐색할 수 있게 해주지만 mRNA의 단백질 합성의 정도를 직접 측정하지는 못한다. 유전자 단백질 합성을 분석하는 데는 DNA 마이크로 배열이 중요한 기술로 사용되어 왔다.
단백질의 구조와 기능을 확인하는 작업은 유전자의 배열과 지도를 작성하는 것보다 훨씬 더 많은 기술 및 지식을 필요로 한다. 과학자들은 단백질의 구성요소와 기능을 완전히 확인해 파악하려면 몇십년이 걸릴 것으로 예상하고 있다. 단백질의 대규모 분석과 구조를 파악하기 위한 새로운 기술과 연구활동이 새로운 분야로 부상하고 있다. 일반적으로 과학자들은 현재 단백질을 분리, 확인, 특성을 규정하는 데 2차원의 겔 전기이동과 질량 분광기술을 사용하고 있다. 단백질 관련분야에서는 앞으로 단백질 구성내용을 확인할 수 있는 감지력이 강하고 효율성 높은 기술이 개발되어야 한다. 여기에서 중요한 것은 질량 데이터를 관리하고 통합할 수 있는 정보공학이다.
2. 생물정보공학
생물정보공학은 생물에 관한 정보를 확보, 저장, 조회, 검색, 영상화, 통합, 분석 및 배포하는 데 필요한 정보기술이다. 생명공학자들이 만들어내는 방대한 연구자료는 그 형식, 구성, 품질, 내용 등이 서로 달라 이들을 그대로 사용하기는 매우 어렵다. 더구나 데이터 분량이 계속 늘어나고 생물정보공학이 발전함에 따라 최종 사용자들은 미래 시스템의 변화, 분석 툴의 개선, 새로운 정보 형식 등을 수용할 수 있도록 유연성을 가져야 한다.
생물정보공학 관련 업체들은 대체로 하드웨어와 소프트웨어업체로 분류할 수 있고 소프트웨어 업체는 다시 데이터 공급업체, 분석 소프트웨어업체, 기업 시스템 서비스업체 등으로 나눌 수 있다. 아직 사업모델로 입증되지는 않았지만 여러 업체들이 인터넷을 통해 유전자 연구를 위한 포털서비스를 제공하고 있다.
배열분석에서 생물정보공학은 연구원들이 단백질의 구조, 기능, 특성, 진화관계 등을 밝히기 위해 뉴클레오티드와 단백질의 배열을 분석하게 해준다. 이러한 정보는 유전자의 위치와 기능을 확인하는 데 도움이 된다. 연구원들은 유전자의 공통적인 요소를 공동으로 배열함에 따라 배열 데이터의 수리적 알고리듬을 적용할 수 있다.
HGP는 이 분야 데이터베이스 개발에 주력해 왔으며 현재 뉴클레오티드 및 유전자 배열, 게놈지도, 유전자 단백질 합성, 단백질 구조, 대사경로 등을 포함한 100개 이상의 게놈기술 관련 데이터베이스가 공개되어 있다. 주요 데이터베이스 사이트는 겐뱅크(http://www.ncbi.nlm.nih.gov), 유럽 분자생물학연구소(http://www.ebi.ac.uk), 일본 DNA데이터베이스(http://www.ddbj.nig.ac.jp), 스위스 프롯(http://www.expasy.ch) 등이 있다.
이러한 데이터자원은 형식이나 문맥이 통일돼야 지식으로서 효율적으로 활용될 수 있는데 이를 위해 연구원들은 다양한 데이터베이스를 조회하고 통합하는 데 발생하는 문제를 해결하기 위한 여러가지 접근방법을 개발했다. 또한 연구원들은 출처가 다른 여러가지 데이터를 통합하고 연동해 더욱 유용하게 하기 위해 전문화된 배열과 배열되지 않은 부차적 데이터베이스 또는 지식 베이스를 개발하고 있다.