1. 응용 분야
게놈 기술의 응용 분야는 의약품 개발, 유전자 치료, 반(反) 감각 치료, 분자 약품, 유전자 실험, 생물화학 소자(바이오 칩), 약품 유전공학, 유전자 변형 동물, 유전자 변형 식물, DNA 프로파일링, 작업장 감시, 환경 및 생물의 다양성 감시 등 광범위하다.
◇의약품 개발=의약업계에서는 제품개발을 통한 생산성 향상의 필요성이 커지고 있다. 종래의 약품개발 과정에서는 새로운 화학구조를 합성해 생물학적 조직안에서 실험해 왔는데 요즘에는 상황이 바뀌었다. 이제는 약품 개발에 있어서 올바른 실험대상을 선택하는 일이 어려운 문제가 되고 있다. 충분히 검증된 대상을 찾아내는 것이 중요한 것이다. 실험대상 질병에는 골다공증, 당뇨, 전립선암, 천식, 알츠하이머병, 관절염, 비만증 등이 있다. 현재 부상하고 있는 의약품 연구 패러다임에는 세 가지 단계가 있다. 연구원들이 새로운 약품 실험대상을 확인하고 검증한 후 그것들을 시금물에 포함시킨다. 그리고 나서 대상을 선정한다. 이러한 과정에서 나타나는 단서를 약품에 사용하는데 적절하게 될 때까지 향상시킨다. 그 이후에 여러가지 화합물들은 발견 단계에서 임상실험 단계로 넘어간다. 이러한 접근 방식은 전적으로 데이터를 통합하는 정보기술이 있기 때문에 가능하다.
◇유전자 치료법=유전자 치료법은 치료를 목적으로 유전자의 단백질 합성을 변형시키는 치유법의 하나로 질병 연구 중 가장 중요한 응용분야며 치명적이고 치유가 불가능했던 질병의 치료뿐만 아니라 질병의 예방도 가능하게 한다. 유전자 치료는 현재 시작단계에 있으며 실험을 통해 얻어진 여러 가지 결과물이 임상실험 단계에 있다. 유전자 치료법은 환자의 세포를 떼어 그 세포의 유전자를 임의로 변형시킨 후 다시 변형된 세포를 환자의 몸에 심는 치료방법과 건강한 사람의 몸에서 유전자를 직접 환자의 몸으로 옮기는 치료방법이 있다. 유전자 치료법은 그동안 직접적으로 환자의 병을 치유하는데 그 효과를 보이지는 못했으나 얼마 전 프랑스에서 선천성면역결핍증(AIDS) 에 걸린 두 신생아를 성공적으로 치유하면서 그 가능성이 입증되었다.
유전자 치료법을 가능하게 하는 것은 유전자를 세포 안에 이식시키기 위한 여러가지 전략이다. 현재 연구원들이 유전자를 세포 내부로 옮기기 위해 만들어낸 유전자 운반체는 옮기고자 하는 유전자를 캡슐화해서 세포내부로 가장 쉽게 침투할 수 있는 바이러스와 통합한 것이다. 이 바이러스는 질병을 유발하는 특성을 제거하고 대신 병을 치료하는 데 도움이 되는 유전자 정보를 갖게 한 것이다.
◇반 감각 치료=반 감각 분자는 단일 가닥의 핵산으로서 유전자 정보가 메신저 리보핵산(mRNA)에서 단백질로 흐르는 것을 막아준다. 유전자 치료에서와 마찬가지로 DNA를 특정 세포에 투입하는 것은 매우 어려운 작업이다. 최초로 미국 식품의약품국의 승인을 받은 반 감각 약품은 아이시스 파머수티컬스가 제조한 AIDS 치료제인 ‘비트라빈(Vitravene)’이라는 약이다. 아이시스는 반 감각 기술 포트폴리오에 대한 특허를 갖고 있으나 지난 99년 말 ‘크론스(Crohn`s)’씨병 억제제의 임상실험에 실패함으로써 연구에 커다란 차질을 빚었다. 현재 제약회사 연구진들이 반감각 방식을 사용해 암의 유전자 기능을 밝히는 데 노력을 기울이고 있다.
◇분자 약품=게놈 기술분야에서는 유전자가 질병에 직간접적으로 영향을 주는 요인을 밝혀내고 유전자 결함의 생화학적 영향을 파악하며 이러한 과정에 간섭하는 가능한 방법을 모색하고 있다. HGP(Human Genome Project)의 연구 결과, 유전자의 이런 질병에 대한 영향을 더욱 많이 파악할 수 있게 되었다. 유전자가 질병에 미치는 영향을 확인하고 유전자의 단백질 합성을 감시하며 질병과의 관계를 파악할 수 있게 됨에 따라 유전자 약품이라는 새로운 분야를 열게 되었다.
연구원들은 앞으로 3∼5년내에 질병을 일으키는 대부분의 유전자를 확인할 수 있게 되고 그로부터 얼마 안가서 심장병, 당뇨병, 천식, 우울증같은 유전자 질병과의 연관성을 밝혀낼 수 있을 것으로 보고 있다. 의사들은 환자의 유전자 프로필과 유전자의 합성형태를 검토해 암과 같은 질병을 실험할 수 있게 될 것이다. 그러나 유전자와 질병의 관계를 깊이 파악하면 할수록 법적, 윤리적, 도덕적 문제가 일어나기 쉽다.
◇유전자 실험=유전자 실험을 통해 인체 핵산이나 그 생성물을 시험관에서 분석하고 질병이나 장애를 나타내는 DNA의 이상 상태를 검사한다. 본질적으로 유전자 질병은 어느 특정 유전자가 일으키는 것이 아니고 유전자 DNA배열의 돌연변이나 변화에서 오는 것이다. 유전자 병은 염색체의 이상, 단일 유전자의 장애, 다인성 질환 및 미토콘드리아 장애 등 네가지로 나눌 수 있다. 유전자 기록의 저장, 공유, 교환이 가능하게 하는 정보기술에 힘입어 이 분야의 발전이 가속화할 것으로 보인다. 기술적인 측면에서 볼 때 유전자의 실험 및 그 결과의 해석을 더욱 편리하게, 시행하기 쉽고 또 정확하게 한다면 유전자 실험을 상품화할 수 있을 것이다.
◇생물화학 소자(biochip)=생물화학 소자의 강점은 연구소의 기존 실험기구들이 수행하는 기능을 낮은 비용으로 할 수 있다는 데 있다. 앞으로 이 칩의 기술이 더욱 발전하면 연구원들은 생화학적 분석을 보다 능률적이고 정확하게 할 수 있을 것이다. 대부분의 DNA칩이나 마이크로 배열은 고정시킨 DNA 가닥과 혼성기반 디바이스로 구성돼 있다. 반면 마이크로 유체 디바이스는 유체 추진 및 제어 시스템과 연결시킨 마이크로 채널로 구성돼 있다. 생물화학 소자의 궁극적인 상용화 목표는 진료기술과 약품개발을 위한 응용이다. 현재 DNA칩이 시장 대부분을 차지하고 있으나 단백질 칩과 ‘칩위의 연구실’의 점유율이 앞으로 늘어날 것이다.
◇유전자 변형 동물=연구원들은 소, 돼지, 염소 등을 비롯한 여러가지 동물의 유전자를 변형시켜 약품생산에 필요한 동물, 질병에 대한 저항력이 강한 동물 또는 연구 목적에 필요한 동물을 만들 수 있다. 현재 집중적으로 개발하는 분야는 약품용 단백질의 생산에 유전자를 변형한 가축을 사용하는 기술이다. 인간 단백질 치료제의 생산에 유전자 변형 동물을 사용하는 개념이 곧 실용화될 것이다. 유전자를 변형한 동물의 이종 조직을 인체에 이식하는데 적용하는 기술이 새로 대두되고 있는데 그렇게 한 과정에서 인체에 대한 오염이나 조직의 거부반응을 불러일으킬 위험성이 있다. 또 식물 유전자 변형기술을 이용, 농작물이나 다른 부가가치가 높은 식물을 개발할 수 있다.
게놈 기술의 응용 분야에는 이밖에 DNA 프로파일링, 작업장 감시, 환경 및 생물의 다양성 감시 등이 있다. DNA 프로파일링은 DNA 타이핑이나 DNA 지문 채취와 마찬가지로 제한 단편길이 동질이상(同質異像)이나 폴리메라이제 연쇄반응(PCR) 분석을 통한 DNA 식별 방식이다.
2. 기술의 중요성
게놈 기술은 유전자 관련 정보를 이용해 여러가지 응용분야에 필요한 새로운 방법, 제품, 서비스를 개발하는 등 빠르게 발전하고 있다. 유전자 배열, 유전자 지도, 기능 게놈 기술, 생물 정보학 등 게놈 기술은 의료계와 제약업계에 긴요한 기술일 뿐 아니라 여러 응용분야로 발전해 새로운 화학물질과 고기능 소재 개발에 있어서도 주도적 역할을 하게 될 것이다. 게놈 기술이 아직은 여러가지 기술적 어려움과 법적, 윤리적 그리고 사회적 문제를 안고 있지만 관련 분야의 성장에 큰 영향을 미칠 것은 자명한 일이다.
지금까지는 대부분의 게놈 기술의 상업적 응용분야는 의약업계에 국한돼 왔다. 하지만 관련업계의 지속적인 투자로 현재는 게놈 기술이 농업이나 화학 분야로도 확산되고 있다. 게놈 기술은 최근 몇 년간 식물 유전자 변형에 중요한 기술적인 열쇠가 되었다. 주목할 것은 화학업체가 이제는 더 이상 화학 제품의 판매자로서만이 아니라 씨앗의 해충 관리 시스템 제공자 역할까지도 하게 되었다는 사실이다. 생명공학, 특히 게놈 기술은 화학 분야에 있어서 중요한 경쟁력 향상과 개혁의 수단이 되고 있다.
소프트웨어와 컴퓨터의 발전, 기술의 자동화에 힘입어 인간 게놈 프로젝트의 목표인 인간 유전자 배열과 지도의 완성이 2003년으로 앞당겨졌다. 인간 게놈 프로젝트가 상업적으로 많은 영향을 미쳤다고는 하지만 이 프로젝트가 완성되려면 과학자들은 유전자의 기능을 정확히 파악하고 이 기능들을 배열해야 할 것이다. 따라서 게놈 기술 연구는 단백질 게놈, 생물 정보공학 등의 기능 게놈 기술에 주력하고 있다.
게놈에 대한 연구는 또한 생물학 시스템에 새로운 이론을 낳아 생명체의 기본적인 작용에 대한 시야를 넓히는 동시에 질병의 진단, 예방, 치료의 새로운 이해와 방법을 향상시켰다. 질병에 있어 유전자의 역할을 밝혀내는 것은 질병의 증상이 나타나기 전에 세포의 변화를 감지, 조기 진단을 가능하게 해줄 것이며 또한 유전자의 합성을 조절할 수 있는 약품의 개발 그리고 유전자 또는 그 합성의 변화를 측정해 효과적인 치료법을 개발할 수 있는 길을 터 줄 것이다.
미생물과 식물의 유전자를 연구하는 것은 과학자들로 하여금 새로운 촉매제, 화학물질 등을 일반적인 또는 특화된 화학물질, 농업용 화학물질, 원유정제, 고기능 재료 등의 생산에 적용할 수 있게 하였다. 이러한 정보들은 또한 환경 점검과 멸종 위기 생물체의 다양한 분포를 확인하는 데도 도움을 줄 것이다. 게놈 기술을 이용하면 신속하게 식품과 식수의 미생물 함유량 검사 또한 가능할 것이다. 결과적으로 이런 신속한 검사는 여러 분야 산업의 검사 기술로 사용될 것이다.
게놈 산업은 기업체들의 유전자 정보 가치에 대한 시각을 바꾸고 있다. 이전엔 기업체들은 특정 DNA 순서에 대해서만 가치를 부여했지만 지금은 특정한 유전자 제품이 아닌 그 제품의 전체적인 생물 시스템에서의 역할에 더 큰 가치를 부여하고 있다. 이 가치의 전환은 새로운 기업체들로 하여금 기업의 소유권을 가지고 있는 게놈 정보를 의약품, 화학, 농업 관련 업체들에 판매할 수 있게 하고 있다. 게놈 정보가 점점 많아질수록 게놈 정보 회사들은 장기적인 사업의 구도를 제품 개발과 고품질의 정보 제공에 맞추어야 할 것이다.
과학자들은 인간 게놈 배열의 완성을 끝이 아닌 또 다른 시작으로 보고 있다. 세포 분자학의 최종 목표는 복잡한 생물 시스템과 네트워크를 이해하고 그 각각의 분자들이 어우러져 어떤 기능을 하는지 이해하는 데 있다. 이 목표를 가능하게 하는 것은 생물체를 빠짐 없이 이해하는 자세와 넓은 시야를 갖는 능력일 것이다. 과학자들은 마지막에는 세포안에서 작동되는 복잡한 분자 회로를 체계적인 정보를 이용해 그릴 수 있기를 바라고 있다. 그런 후에야만 이러한 생물학적, 세포네트워크 모델을 만들어 질병의 발생과정에 대한 가설을 세울 수 있게 될 것이다. 그리고 결과적으로 이러한 지식들이 새로운 치료약과 진단 그리고 건강관리 전략에 큰 획을 긋게 될 것이다.
하지만 유전자 네트워크의 전망 가능한 모델을 만들기 위해서는 과학자들은 다른 유전자들에게 직접 영향을 주는 유전자를 찾아내고 그 유전자의 합성을 주도하는 원리를 찾아내야 한다. 유전자 모델에 사용되는 생물, 즉 효모, 초파리, 실험쥐 등은 인간 유전자의 복잡성을 이해하는 기반이 될 것이다.
워싱턴 대학의 질량 생물학 연구소는 복잡한 생물의 시스템을 모델화하고 깊이 있게 연구, 생명공학 연구에 있어 서로 다른 분야들 사이의 중개자 역할을 하고 있다. 이 연구소의 주요 목표는 DNA 최소 단위의 배열, 단백질 게놈 등의 게놈 기술들로부터 얻어진 데이터를 정리하고 신진대사 경로와 같은 생물 내부의 시스템에 대한 계량적 정보를 만들어내는 것이다.
3. 시장 동향
게놈 기술은 DNA배열도 제작 장비 및 여러 관련 장비 산업, 의료, 제약업계 등 시장에서도 어느 정도의 비중을 차지하고 있다. 또 게놈 관련 정보에 대한 수요에 부응, DNA 배열 정보 및 유전자 합성 프로필을 여러 분야 기업에 제공해 주는 차세대 서비스 제공사업이 부상하고 있다.
이런 업체들은 데이터에 대한 접근과 새로운 기술개발의 위험도를 낮추어 개발비용을 절감하게 해 준다. 일반적으로 이들 업체가 제공하는 서비스는 그 내용의 생소함과 활용 사례가 명확하지 않기 때문에 더욱 가치가 있는 것이다. 게놈에 대한 이해가 높아질수록 이러한 정보들은 게놈의 합성, 기능 게놈 기술 그리고 유전자에 대한 정보뿐 아니라 제품 개발의 기회로 이어지게 될 것이다. 그러나 다른 생명 기술 시장과 마찬가지로 최종 제품에서 게놈이 차지하는 비중이 불분명할 수 있기 때문에 게놈의 응용 시장 또한 예측하기 어렵다. 예를 들면 게놈 기술을 이용해 약품을 개발하려는 제약회사가 약품을 화학 합성물질을 사용해 제조한다면 그 안에 포함된 게놈의 비중을 가늠하기 어려워질 것이다. 지난 99년 실시한 시장조사에 따르면 200개 이상의 기업체들이 사업에 게놈관련 부문을 포함시킬 것으로 나타났다.