김지현 연세대 교수 “유전체 서열 정보 모이면 균주 기원 알 수 있다”

by김진호 기자
2023.03.27 16:30:50

[이데일리 김진호 기자] 생물테러에 이용 가능성이 높은 감염병 병원체의 체계적 관리를 위한 ‘감염병의 예방 및 관리에 관한 법률 일부 개정안’(감염병 예방법 개정안)이 22일 보건복지위 소위에서 심사 안건에 올랐지만 통과되지 않았다.

감염병 예방법 개정안의 핵심은 국내에 존재하는 생물테러 위험이 높은 균의 ‘유전체 염기서열’(유전체 서열) 정보를 확보하고 이를 체계적으로 관리하는 데 있다. 현재 피부 주름 개선용으로 상업화된 보툴리눔톡신을 생성하는 보툴리눔균 역시 독소의 농도에 따라 심각한 위협이 될 수 있기 때문에 그 영향권에 포함된다.

이번 개정안이 원안대로 소의와 본회의 등을 거쳐 통과한다면 메디톡스(086900)나 대웅제약(069620), 휴젤(145020) 등 보툴리눔 톡신 관련 제품을 출시 중인 20여 곳의 국내 기업들은 보유하고 있는 보툴리눔균의 염기서열을 질병관리청(질병청)에 제출해야 한다. 국내 업계가 가진 보툴리눔 균주의 염기서열들이 처음으로 한 곳에 집합하게 된다는 의미다.

김지현 연세대 시스템생물학과 교수는 21일 이데일리와 만나 “감염병 병원체를 포함한 여러 생명체의 유전체 서열 정보를 비교분석하면 생물종의 진화와 유전에 대한 통찰을 얻을 수 있다”며 “이런 유전체 서열은 지문처럼 각 균주마다 다르고, 적어도 과학적인 관점에서는 그 기원을 줄 세우는 ‘소스 트랙킹’(source tracking)이 가능하다”고 말했다.

그가 수십 년간 연구해온 시스템생물학은 유전체 전체 정보를 바탕으로 생물이 가진 능력을 총체적으로 분석하는 학문이다. 김 교수에게 현대 유전학과 미생물학에 근거해 생물종의 다양성과 이를 구분하는 기법을 두루 들어봤다. 다음은 그와의 일문일답.

(제공=국회)

고전적인 종의 구분 기준은 ‘교배가 가능하고, 이를 통해 나온 후손이 생식능력을 유지할 수 있는가’라고 볼 수 있다. 침팬지와 인간처럼 공통 조상에서 나왔더라도 충분한 시간이 지나면 교배가 이뤄질 수 없을 만큼 종이 달라지기도 한다. 즉 생식 여부가 종을 나누는 매우 유용한 잣대였다.

‘교배 가능 및 후손의 생식능력 유지’라는 개념은 분명 지금도 유효하지만, 모든 생물종에 일률적으로 적용하는 데는 한계가 있다. 예를 들면 식물은 교배 가능한 폭이 상당히 넓다. 전혀 다른 종으로 구분된 식물도 교배와 증식이 가능한 경우가 많다. 반면 동물의 경우 식물보다 더 제한적이다. 사자와 호랑이도 교배가 가능하지만, 그 자손이 스스로 번식하는 것은 어려운 것으로 알려졌다. 유성생식을 하지 않는 미생물, 특히 세균이나 고균(archaea)과 같은 원핵생물은 종을 구분하는 것이 간단치 않다. 계통분류학적 또는 진화적, 생태학적 등 3가지 관점에서 종을 나눌 수 있다.

생물의 종에 관계없이 돌연변이가 가장 적게 발생해야 하는 보존 구역이 있다. 바로 ‘리보솜’(ribosome)이다. 리보솜은 자신의 특징을 발휘할 단백질을 생산하는 공장이다. 보툴리눔균과 폐렴구균 등을 구별하려면, 리보솜을 구성하는 리보핵산(RNA)의 유전자 서열을 비교해보면 간단히 알아낼 수 있다.



하지만 리보솜 RNA의 유전자 염기서열을 비교하는 것은 상위단계에서 종을 구분할 때 적용된다. 한 가지 종 안에서 여러 아종 집단을 구분해야 할 때, 예를 들어 보툴리눔균 A형 또는 B형 등을 서로 구분하는 경우에는 이런 방식은 한계가 있다. 유사하거나 같은 종으로 판단되는 두 생물집단을 비교한다면, 염기서열이 거의 같은 리보솜 RNA의 유전자 하나만을 주요 지표로 쓸 수 없으며 여러 핵심 유전자를 동시에 비교하는 것이 바람직하다.

생체 고분자의 염기서열을 읽는 것을 ‘시퀀싱’(sequencing)이라고 한다. 여러 아종 집단의 개체별 유전체 서열을 다양하게 시퀀싱한 다음, 해당 종의 모든 개체(구성원)가 공통적으로 가지고 있는 종의 특징을 결정짓는 핵심 유전자와 일부 개체에서만 있는 부수 유전자를 나눈다. 그런 다음 각 유전자 서열 변이 양상을 비교해, 어떤 균주 ‘X’가 어디에서 갈라져 나왔는지 분석할 수 있다. 이른바 소스 트래킹이다. 보툴리눔 균주 역시 수많은 아종 개체의 염기서열을 확보해 그 흐름을 분석하면 다소 ‘개체 내 돌연변이’(개체변이)가 있는 것을 고려하더라도 특정 균주의 기원을 추적할 수 있다.

사람은 아프리카에서 시작해 각 지역에 나뉘어 살고 있다. 미주에는 인디언, 한반도에는 한국인이 산다. 미생물도 마찬가지다. 각 지역에 특화된 종류, 즉 ‘생태학적 종’이 존재하는 것이다. 생태적으로 분리된 미생물 균주의 이동은 빈번하게 이뤄질 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다. 병원성 미생물이라면 사람에게 붙어 교통수단을 이용해 옮겨가기 쉽다고 알려졌다. 반면 매우 좁은 지역범위에서만 관찰되는 종도 있다.

보툴리눔균과 같은 혐기성균은 흙속이나 통조림캔처럼 산소가 없는 환경에서 생존할 수 있다. 이런 균이 매개체를 통해 지역을 옮겨갈 가능성이 전혀 없는 것은 아니다. 이렇게 옮겨온 특정 혐기성균을 분리하는 것도 쉽지는 않지만 미생물 전문가라면 불가능하지는 않다.

보툴리눔균을 포함한 세균의 유전체는 보통 수백만 개의 염기서열로 이뤄진다. 유전체 서열의 총 길이가 다르다고 다른 종이라고 말할 수는 없다. 집단 내에서도 추가되기도 하고 없어지기도 한다. 앞서 말한 것처럼 핵심 유전자의 흐름을 1순위로 봐야 한다. 또 포자 형성은 같은 특정 표현형은 아종 집단 내에서도 개체별로 얼마든지 다르게 나타날 수 있다. 해당 표현형과 관련된 유전자의 염기 중 하나만 바뀌어도 그 개체는 같은 집단 내 일반적인 능력을 발휘하지 못할 수 있다. 과거 다수의 표현형만으로 종을 구분하려는 시도가 없던 것은 아니지만, 현재는 이런 차이들이 종을 구분하는 주요한 요건으로 활용되진 않고 있다.

‘균주 출처가 어디다’나 ‘어느 지역에서 분리됐다’ 등 현실에서 균을 확보하게 된 과정은 법적으로 따질 문제라고 본다. 상업적인 논리에서 한 발짝 떨어져서 과학적인 기법으로 아종이나 균주의 유래만 따진다고 생각하면, 현재 기술 수준에서 분명히 가능한 일이다. 실제로 2001년 미국에서 탄저균을 이용한 바이오테러가 발생했을 때, 해당 균주의 유전체 서열 정보를 해독하고 각 기관에서 보관된 탄저균 균주들과 비교해 테러의 사용된 균주가 ‘에임스’(Ames)라는 아종에 속하며, 해당 균주가 미국 내 기관에서 기원한 것이라는 것을 알아낸 바 있다. 이처럼 유전체 서열 정보을 통해 어떤 아종이 먼저 존재한 것인지, 즉 ‘특정 균주가 어디에서 유래된 것인가’에 대해 충분히 납득할 수 있도록 설명할 수 있는 부분이다.