생물산업과유전자변형생물체 · 커피 감자 감자 감자 감자, 바나나 감자...

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생물산업과 유전자변형생물체장제

1. 생물산업의 탄생

1980년 말 특정 유전자를 제한효소로 절

단한 후 변형하려는 유전자에 연결효소를 이

용하여 만들어진 재조합 유전자를 미생물 등

에 도입시켜 유전자를 발현하는 기술에 관한

특허(미국특허 제4237224호, 1980. 12. 2)가 등

록됨으로써 유용 단백질의 량생산 등 생명

공학의 산업화에 획기적인 전기를 마련하게

되었다.

이 기술은 우선 장균 등의 세균들로부터

플라스미드를 분리하고, 동ㆍ식물 등에서 특

정 유전자 DNA를 분리한다. 그리고 이를 특정

제한효소로 절단하여 플라스미드에 삽입하고

재조합 DNA를 제작한 뒤에 박테리아 세포에

도입함으로써 형질전환시킨다. 그 다음으로

형질전환된 세균을 배양하여 유용물질을 량

생산할 수 있도록 했다. 이 전반의 기술이 유전

자변형 기술이며, 이로써 현 생물산업

(Modern Bioindustry)이 탄생되었다.

그 이전에는 300만 명의 당뇨병환자에 한

1회 투여에 필요한 치료약(인슐린) 4.5 kg을

얻으려면 돼지 25만 마리의 췌장이 필요했다.

그런데 이 기술을 통해 약 300㎥의 재조합 유

전자를 함유한 세균 배양액으로부터 생산이

가능해졌다. 따라서 엄청난 비용 절감효과에

의해 부분의 당뇨병환자가 치료의 혜택을

받을 수 있게 되었다(www.kipo.go.kr).

이후 유전자변형 기술은 의학뿐만 아니라

농업, 환경, 수산∙해양 분야 등 생물을 이용하

는 모든 분야에 파급효과를 가져왔다. 그 결과

해충을 방어할 수 있는 국화와 옥수수, 화학제

제1절 생물산업의 발전과 유전자변형생물체 생명공학(Biotechnology)이

라는 용어는 지난 한 세기 동안 동식물의 선발육종에서부터 발효맥주의 생산, 유기물에 오염된 하수의 처리

등 살아있는 생물체를 응용한 모든 과정을 총칭하는 의미로 널리 사용되어왔다. 그런데 최근에는 직접적인

유전자재조합으로 인간에게 유용한 새로운 생명체를 탄생시키는 유전공학(Genetic Engineering)과 생

물공학(Bio Engineering), 유전자변형 기술(Genetic Modification), 생명공학(Biotechnology)

등의유사용어들을서로호환하여사용하고있다.

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품인 제초제에 저항성을 갖도록 만든 콩 등 농

민들에게 유익한 작물을 창조하는 데 유전자변

형 기술이 적용되었다. 또한 전 세계적으로 수

많은 학교 및 기업의 연구실에서 이것을 응

용하여 다양한 종류의 동∙식물을 농업적으로

더욱 유용하게 변형시키고자 하는 연구를 수행

하게 되었다.

예를 들면 항암제를 생산하는 식물, 동물을

이용한 인체 이식용 장기 생산, 식용 백신 생산

과일, 해충저항성 나무 등을 포함한 실로 다양

한 응용연구가 진행되고 있다. 이러한 것을 볼

때 유전공학 기술은 미래에 한 새로운 기회

를 재창출하려는 도전을 멈추지 않고 있다.

생명공학(Biotechnology)이라는 용어는,

1917년 헝가리의 공학자인 Karl Ereky가 사탕

수수를 사료로 하는 돼지의 량사육과정을

설명하기 위하여 처음 사용했다. 지난 한 세기

동안 이 용어는 동식물의 선발육종에서부터

발효맥주의 생산, 유기물에 오염된 하수의 처

리 등 살아있는 생물체를 응용한 모든 과정을

총칭하는 의미로 널리 사용되어왔다. 그런데

최근에는 직접적인 유전자재조합으로 인간에

게 유용한 새로운 생명체를 탄생시키는 유전

공학(Genetic Engineering)과 생물공학(Bio

Engineering), 유전자변형 기술(Genetic

Modification), 생명공학(Biotechnology) 등

의 유사 용어들을 서로 호환하여 사용하고

있다.

2. 새로운 생산물의 개발

오늘날 생명공학 관련 연구자들은 현 생

물산업에 의하여 전통농업의 문제점을 해결하

는 새로운 전기가 마련될 것이라고 믿고 있다.

즉, 생산성 향상, 품질 및 양개선, 섬유, 연료

등 비 식품용으로서 농업의 역 확 가능성

까지를 내다본다. 이를 위하여 연구자들은 신

품종 생산물의 개발에 박차를 가하고 있다.

(1) 생산성 향상

생산성을 향상시키고 보다 용이하게 하기

위하여 다양한 연구가 이루어지고 있다. 첫째

는 질병(해충, 바이러스, 병), 스트레스(가뭄,

서리 등), 토양양분의 경쟁자(잡초)들의 방제

등이다. 둘째로 식물 자체가 좀더 많은 양의 식

량을 효율적으로 생산케 하거나 저투입 고생

산 전략의 실현에 힘쓴다. 세 번째는 척박한 환

경이나 고염∙고광물질 등의 척박한 토양에서

도 잘 자랄 수 있는 식물의 개발 등이 꼽힌다.

동물의 경우도 마찬가지 전략이 적용된다. 즉,

고품질, 고산유량, 내병성, 고생산성 동물을

개발하고자 하는 연구 등을 들 수 있다.

이러한 전략은 전통육종이나 농업용 화학약

품의 사용 등에 의해서도 동일한 목적으로 추

진되어왔다. 그렇지만 생명공학기술은 기존의

전략보다 농민들의 비용을 감소시키고, 화학

1부

총론

제1장 생물산업과 유전자변형생물체

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살충제 등을 적게 사용하는 결과를 가져올 것

이라고 보고 있다. 이들 전략 중에서는 이미 몇

몇 사례가 개발이 완료되었거나 향후 실현화

가 임박했다. 다음 내용은 그 중에서 농업생산

성을 향상시키는 전략에 해당하는 것들이다.

(2) 품질 및 양개선

양성분이 증가되었거나 품질이 개선된 식

품의 개발을 위한 연구도 진행중이다. 예를 들

면, 최근 저지방함유 소고기와 돼지고기를 전

통육종기술로 개발하 다. 이는 건강에 유익

한 고기를 생산하고자 하는 전략인데 다음과

같은 예를 들 수 있다.

(3) 기타 용도 및 의료용 목적

동∙식물은 식품 이외에도 다양한 용도로

이용된다. 나무의 경우 통나무, 제지용 등으로

쓰인다. 식물은 목화와 같이 섬유를 제공할 뿐

만 아니라 호호바유 등은 산업용 화학제품 및

유지를 제공한다. 이러한 용도를 위한 유전자

변형 연구 사례는 다음과 같다.

한편, 의료용 목적의 유전자변형 동∙식물

연구로는 Hepatitis B(간염 B) 및 설사, 충치

∙European Corn Borer에 내성을 갖게 만든 Bt 살충

성 단백질을 생산하는 유전자변형 옥수수

∙제초제에 해 살아남는 제초제 저항성 작물

∙가뭄 등의 불량환경에서도 생산성을 향상시키고,

척박한 땅에 잘 자라는 식물의 개발

∙감염 후 5일 이내에 죽게 만드는 장내 Septicemia

에 내성을 갖는 물고기

∙3�4배 더 빨리 자라게 하여 시장출하를 앞당기고

보다 값싸게 공급하도록 한 연어

∙Oleic Acid가 80% 이상이고, 올리브유보다 포화지

방산이 1/3 감소되었으며, Trans형 지방산이 전혀

없는 콩기름

∙우유를 먹지 못하는 사람들을 위하여 소화가 원활

하도록 개발한 Lactose 함량 감소 우유

∙인슐린과 같은 성장호르몬 유전자가 도입된 돼지

(보다 육질이 부드러운 고기 생산)

∙단단하고 쉽게 갈라지지 않아서 가공이나 통조림용

에 적합한 콩

∙총 단백질 함량의 증가와 함께 품질 개선된 카사바

와 질경이(Plantain) 등의 채소

∙눈병을 예방할 수 있는 Lutein과 같이 양소 함량

이 증가된 유채류

∙나무의 제지용 효율 증진

∙페인트 혹은 산업용 유지와 지방산 변형

∙옥수수를 이용한 소비자용 플라스틱 생산

∙전통육종기술로는 불가능한 다양한 화색의 창출

∙염소의 유즙으로부터 거미줄(면) 생산

∙환경 내 위험물질의 확인 및 추적이 가능한 Biosensor

용 식물 개발

∙가뭄, 냉해, 염해 등에 강한 잔디(Turfgrass) 개발

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등을 예방할 수 있는 식용백신 식물 생산과 히

루딘(Hirudin, 항혈액응고제)과 같은 의료용

물질 생산 작물 개발, 장기이식(Xenotrans-

plantation)용으로 동물을 이용한 인체조직 및

장기생산 등이 있다.

3. 생명공학기술의 적용 범위

오늘날의 유전자변형 기술은 기본적인 작물

에 한 지속적인 연구개발과 함께 농업 전반

(나무, 목초, 화훼, 물고기, 동물, 곤충 등)을

포함하고 있다. 따라서 향후 생명공학기술이

적용될 수 있는 범위는 예측하기 어려울 만큼

다양하다. 특히 주된 관심분야인 동ㆍ식물의

게놈분석 연구는 계속해서 새로운 응용분야를

개척할 것으로 예상된다.

해충저항성과 제초제저항성 유전자변형 식

물은 이미 상용화되어 널리 이용되고 있다. 이

와는 달리, 일부는 아직 10년 혹은 그 이상의

시간을 요구하고 있기도 하다. 즉, 물고기류의

질병 예방, 곤충의 인체질병 확산 능력 저하,

동ㆍ식물로부터 의료용 약리물질 생산 등의

경우는 정부 허가 절차의 완수를 위하여 수년

간의 안전성 검정과정을 거쳐야 하는 생명공

학의 산물인 것이다. 또한 플라스틱을 생산하

는 식물처럼 아직 실험실 수준에서만 확인이

가능하여 경제적 여건상 시장에 출시될 가능

성이 거의 없는 사례들도 있다. 이러한 사례들

은 과학적인 근거는 물론, 상업적인 성공 여부

역시 시장에 의하여 결정될 수밖에 없다.

(1) 유전자변형 식품(농산물)

유전자변형 기술을 이용한 각종 병저항성

작물로부터 만든 식품을 유전자변형 식품이라

고 하며, 여기에는 다양한 전략이 있다. 그 한

가지는, 특정 병원균에 한 저항성을 갖는 식

물 품종을 찾아낸 뒤 자연에서 나타나는 저항

성과 관련된 유전인자를 동정하여 이들 저항

성 유전자를 갖고 있지 않은 식물체로 도입시

키는 방법이다.

다른 한 가지는 식물체가 병원균을 물리칠

수 있는 특정 물질을 생산하는 데 관여하는 유

전자를 찾아내어 목적 작물에 도입하려는 방

법이다. 이외에도 식물에 피해를 주는 곤충을

박멸하고 바이러스와 균류를 제거하기 위한

다양한 연구가 진행되고 있다. 이들 개발 전략

및 연구내용을 요약하면 <표 1-1-1-01>과 같다.

(2) 유전자변형 나무

나무는 숲을 이루어 휴양지 및 생태학적인

가치를 제공할 뿐만 아니라 종이, 연료, 목재

그리고 견과와 같은 유용한 과일들을 제공한

다. 이들 나무의 생육과정에서도 농작물 재배

1부

총론


20

<표 1-1-1-01> 유전자변형 식품(농산물) 개발 현황

산 물 연 구 목 적 전 략 연 구 단 계

애기장 (Arabidopsis)

바나나

곡류작물

보리

단옥수수, 콩, 감자, 목화

파파야

감자

커피

감자

감자

감자

감자 , 바나나

감자

감자

벼

벼

벼(Golden Rice)

콩, 옥수수, 목화, 사탕무,

유채,

유전자변형 연구의 모델 식물로서 홍

수, 가뭄, 염해 등에 식물이 저항하는

기작 구명 연구에 이용

바이러스저항성, 살충제저항성, 의약

품 생산 등

쌀과 같은 주곡작물 내 철분함량 증가

로 양가 증가

염분, 가뭄, 열에 저항성 추가

줄기를 갉아먹어서 식물체를 죽게 하

는 벌레 (Worms)에 한 저항성 식물

개발 (천공충, Corn Borer, Cornstalk

Borer, Corn Ear Worm, Fall Army-

worm)

링스팟(Ringspot) 바이러스에 한 저

항성을 가진 품종 개발

곰팡이에 의하여 감염되는 시들음병

에 한 저항성 부가

연화 방지 및 무카페인 커피

잎마름병(아일랜드의 감자기근을 야

기시킨 감자 곰팡이병의 일종)의 근절

필요

세균에 의하여 감염되는 무름병(Soft

Rot)과 공동병(Blackleg)의 근절

저지방 감자칩 재료용 품종의 개발,

기름에 튀길 때 지방 흡수량 감소

뿌리를 갉아먹는 선충에 한 저항성

부가

감자 잎말이 바이러스(Potato Leaf

Roll Virus)의 근절

수확량 증

도열병(Blast), 잎마름병(Sheath

Blight)등의 주요 곰팡이 병의 방제

수확량 증

�- 카로틴 생산을 가능하게 함

잡초 제거, 노동력 및 농약사용 경감

고농도의 염을 함유한 간척지 등의 토

양에 잘 자라도록 하는 화합물 생산

항 곰팡이 유전자들을 분리하여 바나

나 식물체 내에 도입

식물 내에서 철분을 저장하는 역할을

하는 페리틴(Ferritin) 단백질을 벼에

도입(일반벼보다 철분 함량 3배 이상

증가)

-

Bt 미생물로부터 독소(델타-엔도톡신)

유전자 분리 후 이들 작물에 도입

바이러스 자체의 피막 단백질 유전자

만을 파파야 식물체에 도입

알팔파에서 분리한 항곰팡이 단백질

(Defensins)의 생산유전자 도입

-

감자잎 마름병에 저항성을 갖게 하는

단백질을 콩으로부터 분리 이용

세균의 세포벽을 분해하는 물질을 생

산할 수 있는 유전자 도입

전분함량 증가와 튀기는 과정에서 지

방의 흡수량을 감소시킬 수 있는 전분

합성 유전자의 도입

벼, 해바라기에 자연적으로 합성되는

방어 단백질 생산 유전자의 도입

피막단백질을 이용하거나 역방향 유

전자 도입

괴경과 수량을 동시에 증가시킬 수 있

는 단백질의 농도를 증가시킨 유전자

도입

잎마름병과 줄기 천공충(Stem

Boring Insects)에 복합저항성을 갖는

유전자 도입

특정 단백질의 합성을 저해하는 유

전자를 도입하여 식물의 성숙기를

연장함

�- 카로틴과 철분 함량이 높은 유전

자 도입

제초제에 저항성이 강한 유전자도입

온실

포장시험

포장시험

실험실

유전자변형 종자 시판


(하와이 재배, 1997년 )

온실

실험실

실험실

실험실

온실

온실


실험실/온실

(3~3.5% 수량증가 결과 보고됨)

포장시험

포장시험

(포장시험 결과 40%의 수확량 증 )

온실/ 포장시험


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와 마찬가지로 각종 위협을 받는다. 즉, 해충

과 질병, 품질 및 효율성의 결점, 환경 스트레

스 등으로부터 도전을 받고 있다.

나무도 작물에서 사용된 기술과 동일한 방

법으로 일부 특성을 변경시키고자 하는 전략

을 이용한다. 그러나 나무의 유전자변형은 그

발전 속도가 빠르지 않다. 나무는 생물학적으

로 부분의 농작물과 다르다. 예를 들면, 침

엽수들은 2년까지의 복잡한 생식주기를 가지

고 있다. 또한 량 번식에 필요한 충분한 양

의 종자를 확보하는 데 여러 해가 필요하다

(Charest, 1995).

유전자변형 나무의 생산을 보다 발전시키기

위해서는 유용한 유전자들을 확인하기 위한

1부

총론

<표 1-1-1-01> 유전자변형 식품(농산물) 개발 현황 (계속)


콩, 유채기름

콩

Faba Bean

고구마

토마토

토마토

감자, 카사바, Plantain 등

의 주식으로 이용되는 야채

, 보리

호박(Yellow Crookneck

Squash)

양가가 보다 높은 지방산 조성 개선

선충과 미세 기생충으로부터의 피해

방제

바이러스저항성

심각한 피해를 주고 있는 Feathery

Mottle Virus의 방제

토마토의 항산화제 특성 증가

후숙(연화) 과정의 조절로 수확 후 시

장에 출하하는 과정동안 너무 익어서

상품가치가 떨어지는 현상 방지

총 단백질 함량의 증가

바이러스(Barley Yel low Dwarf

Virus; 종자 형성을 방해)의 근절

의 알러지원 감소

곰팡이 (Botrytis Cinerea, 식물체와

곡물 알갱이에 심각한 피해)의 근절

모자이크 바이러스의 근절

80% 이상이 Oleic Acid이며 트랜스형

지방산은 전혀 생산되지 않도록 함

선충에 저항성을 갖는 콩 품종을 개량

하기 위하여 저항성 유전자의 분리를

위한 마커 유전자 개발

Necrotic Yellows 바이러스에 한

저항성

피막단백질을 도입하여 저항성 유도

강력한 항산화제로 알려진 라이코펜

(Lycopene) 함량이 증가된 토마토를

개발. 혹은 눈병퇴치에 효능이 있는

것으로 알려진 Lutein 함량의 증가

호르몬의 일종인 에틸렌(Ethylene)의

생산량을 유전자 변형 기술로 조절하

여 후숙(연화) 과정을 지연

알레르기원이 아닌 종자 알부민 단백

질을 도입하여 총 단백질 함량을 증가

시킴

바이러스 피막단백질을 도입하여 저

항성 유도

의 알러지 반응을 야기시키는 단백

질 변경 효소를 조절하는 유전자를 과

발현

와인 생산용 포도에서 동정된 천연 식

물방어 물질 생산 유전자의 도입

바이러스 피막단백질을 도입하여 저

항성 유도


온실

실험실

포장시험

실험실

(일반토마토 보다 2.5배의 라이코펜

함량 증가로 Lutein 함량도 증가)

포장시험

온실 (현재 감자 괴경에서 35~45%까

지 단백질 함량이 증가되었을 뿐만 아

니라 필수 아미노산과 수확량의 수준

도 동시에 증 된 것이 있음

실험실

온실

포장시험

상업용으로 허가됨

자료: 한국생명공학연구원(2003), The Pew Initiative on Food and Biotechnology(2001), The Nuffield Council on Bioethics(2004)를 재정리함


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부가적인 지식을 필요로 할 것이다. 이외에도

원하지 않은 현상의 출현을 최소화하고 현존

하는 생물다양성을 보호하는 특별한 관리전략

등을 고려해야 한다(Strauss et al. 1999). 결과

적으로 유전자변형 나무는 농작물과는 다소

차이가 있지만 기본적인 면에서는 유사한 전

자료: The Pew Initiative on Food and Biotechnology(2001), The Nuffield Council on Bioethics(2004)를 재정리함

<표 1-1-1-02> 유전자변형 나무 개발 현황


사과나무

포플러스 수종(포플라,

Aspen, Cottonwood 포함)

사시나무 (Cottonwood

Trees)

과일나무

핵과류 (Stone Fruit)

- 자두, 살구 배, Nectarins

고사병(Fire Blight)의근절

리그닌(목재의 견고함을 유지시켜주

는 구조 물질로서 제지공정에서 분해

가 어려움) 함량 감소

사시나무 해충 (Cottonwood Leaf

Beetle)의 피해방지

사과벌레(Codding Moth)의 피해방지

PPV 바이러스(품질 손상 및 생육 저

해)의 박멸

누에(Giant Silk Moth)로부터 분리한

유전자의 도입으로 저항성 향상

역방향 유전공학기술(Antisense,

Biotechnology)의 적용으로 리그닌

생합성량 감소

다양한 종류의 Bt 유전자를 도입

다양한 종류의 Bt 유전자를 도입

바이러스 외피단백질 도입

포장시험

포장시험

포장시험(초기 연구결과 저항성은 해

충의 성숙단계에 따라 크게 차이가 있

었음)

온실/일부 포장시험(Gola Apple을

상으로 일부 성공사례가 있음)

포장시험(3년간 포장에서 저항성을

보 으며, 유전자변형 자두와 잡종을

생산하여 저항성을 확인함)


<표 1-1-1-03> 유전자변형 목초 및 화훼 개발 현황


잔디(Turfgrass)

- 골프장

잔디(Turfgrass)

페튜니아

화훼

효율인잡초방제

가뭄, 염해, 냉해에 한내성증가

기존에존재하지않는화색을보유한

페튜니아의개발

기존에존재하지않는화색을보유한

화훼의개발(특히청색꽃개발이필요)

꽃의수명연장, 절화수명연장, 꽃꽂

이용에적합하게강하고긴줄기의생

산등이목표

근사미(Glyphosate) 등의 제초제에

저항성을갖도록 만든 유전자변형 잔디

베타인 알데히드 탈수소효소(BADH)

를 암호하고 있는 유전자 도입으로 환

경스트레스에 한 내성증가 유도

오렌지색 페튜니아는 1987년에 개발

되었으며, 이는 옥수수의 색깔 발현 유

전자를 도입함

∙‘Moondust’라는유전자변형 카네

이션이1996년에처음으로개발되었

으며, 이러한색깔의범위를다양하게

하고자많은연구를집중하고있음

∙에틸렌 합성 조절유전자를 이용하여

꽃수명을 연장

∙‘Long Vase Length Genes’을 카

네이션 등의 화훼작물에 응용하기

위한 연구 수행중

포장시험

포장시험/실험실

유전자변형 페튜니아 시판중

절화에 한 온실검정

Moodust는 시판중

‘Long Vase Length Gene’은

특허화된 상품

23

략이 적용되고 있다. 다시 말해 해충, 질병, 제

초제저항성 등을 포함한 기술들이 유사하다.

또한 나무의 경우에도 고품질과 각종 스트레

스에 저항성이 강한 품종의 개발이 필요하다.

이를 요약하면 <표 1-1-1-02>와 같다.

(3) 유전자변형 목초 및 화훼

골프장이나 상업용 잔디의 기능을 유지하고

관리하기 위하여 엄청난 양의 물, 농약, 그리고

제초제를 사용한다. 따라서 제초제저항성, 가

뭄과 같은 스트레스에 강한 저항력을 갖도록

하는 것을 이 분야의 주된 연구목표로 하고 있

다. 또한 강렬한 색깔 혹은 무늬들을 갖도록 하

고자 꽃과 화분에 심는 식물들에 한 유전자

변형 연구를 수행중이다. 이 외에도 크기와 모

양, 꽃의 수, 색상 패턴, 절화의 연장된 저장수

명 등을 목표로 하고 있다. 이들 관련 내용을

요약하면 <표 1-1-1-03>과 같다.

(4) 산업용 제품, 제약, 그리고 환경정화

생명공학기술은 식물로부터 산업용 제품을

만들기 위하여 이용될 수도 있다. 현재 개발중

에 있는 산업용 제품은 유용한 단백질, 효소,

새로운 형태의 전분, 지방, 왁스, 플라스틱 등

다양한 종류의 특수 물질을 포함한다. 의약품

의 경우에 포함되는 물질은 치료와 진단에 사

용될 수 있는 효소, 항체, 백신과 특수용도를

갖는 단백질 등이다.

식물을 이용하여 비 식이용 화학물질을 생

산하기 위한 연구를 수행할 때는 부가적으로

특별한 주의가 필요하다. 그리고 이들 화학물

질이 식품에 유입되어 공급되지 않도록 철저

히 감독해야 한다.

이와 함께 전통적인 폐기술에 두 가지 새

로운 기술이 각기 상황에 맞게 선택되어야 한

다. 하나는 CropTech 법인회사(Blacksburg,

VA)에 의해 개발되어 특허권을 획득한 방법으

로 유전자변형 식물이 가공을 위해 조직을 파

손시키면서 상처가 발생할 때까지 단백질을

발현시키지 않도록 만들었다. 즉, 식물재배와

단백질 발현과정이 서로 구분 공정되기 때문

에 식물을 이용한 식품에는 오염되지 않도록

한 것이다. 또 다른 기술은 식물체를 하나의 폐

쇄계로 이용하는 방법이다(Borisjuk et

al.1999). 이 시스템은 보다 물질정제가 용이하

고 목표로 하는 물질의 연속적인 생산을 가능

케 한다. 이들 분야의 연구를 요약하면 <표 1-

1-1-04>와 같다.

(5) 유전자변형 동물∙어류 및 곤충

가. 유전자변형 동물

1981년 생산된 첫 번째 유전자변형 쥐

(Gordon and Ruddle, 1981)는 인간 성장호르

1부

총론


24

몬을 생산하도록 변형되었다. 일반 새끼 쥐들

과 비교하여 유전자변형 쥐는 훨씬 체구가 크

며, 이들의 혈청 내 성장호르몬은 일반 조군

과 비교하여 수백 배나 많은 양이 존재하 다.

이후‘Knock Out’, 즉 특정 유전자를 제거하

여 기능을 못하게 한 유전자변형 쥐가 개발되

었다. 이 경우는 유전자의 기능과 발현 과정을

연구하는 데 아주 중요한 도구로 쓰 다. 이들

유전자변형 쥐는 질병의 감염, 염증을 일으키

는 상태와 암 연구용 인간 단백질을 생산하기


산업용 효소

Epoxy Oil

인체 단백질

인체 단백질

금속 축적 식물

플라스틱

알코올 생산에 이용되는 효소인

셀룰라제의 생산 강화

식물성 고급기름 생산량 증가

치료용과 진단용으로 사용되는 복잡

한 인체 단백질에 한 수용 증

항 혈액 응고제의 생산

구리, 카드뮴, 코발트, 알루미늄, 망

간, 니켈, 셀라늄 및 아연과 같은 금속

에 오염된 토양의 정화

석유에서 생산되는 제품을 체할 수

있는 재생 자원의 개발

애기장 를 이용하여 셀룰라제 생산

(식물이 가공되기 전까지는 활성이 없

음)

피마자콩에서 Epoxy Oil의 생산을

자극

유전자 변형 옥수수, 담배, 벼를 이용

하여 치료용 인체 단백질 생산

항 혈액 응고제인 히루딘을 형질전환

유체에서 생산함

유해한 금속을 흡수할 수 있는 유전자

변형 식물체와 임목 개발

플라스틱 폴리머 생산 유전자 도입

된 옥수수와 애기장 에서 플라스틱

생산

실험실

실험실

실험실(벼는 의약품 임상실험중)

상업화(캐나다)

포장시험

실험실

<표 1-1-1-04> 산업, 제약 및 치료를 위한 유전자변형생물체 개발 현황


미국 밤나무

항체

Avidin

생물학적 감지

(Biosensor)

피자마 기름

식용백신

곰팡이 질병인 Chesnut Blight에 의

해 사라진 미국 밤나무의 복원

진단용 항체개발

달걀 흰자에서 주로 발견되는 Avidin

의 생산(Avidin은 의학과 생화학적인

진단에 이용)

지뢰를 탐지하는 Biosensor 개발

피마자씨의 알레르기성과 독성을

감소

개발도상국에서 백신의 안정성과

이용성 향상

질병에 강한 밤나무

B형 간염(Hepatitis B)의 중심항원을

발현하는 유전자 변형 담배 생산 ;

항원-항체 반응을 이용하여 B형 간

염 진단.

량의 Avidin을 생산할 수 있는 유전

자변형 옥수수 개발

폭탄의 주요 물질인 TNT에 민감한 박

테리아 제조 ; TNT 존재시 발광(해파

리 유전자)

Anti-sense기술을 이용하여 알레르기

의 원인이 되는 Ricin 단백질을 제거

최근 HIV- 억제 단백질을 발현하는 유

전자를 시금치에 도입하여 원하는 단

백질 생산 확인

실험실

실험실

상업적으로 이용

포장시험

실험실 - 형질전환 피마자 기름에

한 특허

실험실

25

위하여 여러 종류가 개발된 바 있다(Yang X-D

et al. 1999a and 1999b, Russel et al. 2000).

유전자변형 동물은 단일세포에서 유래하는

항체(단항체)와 소염제인자(Green, 1999), 질

병 예방에 필요한 물질 등을 생산하는 데 이용

되고 있다. 이들에 관한 연구를 종합하면 <표

1-1-1-05>와 같다.

나. 유전자변형 수중생물

유엔식량농업기구(FAO)에 의하면, 세계의

수산물 생산은 연간 1억 2,200만 톤 이상이고,

예상소비량은 9,300만 톤이다. 모든 식용 어류

의 약 1/3은 양식에 의해 생산된다. 1997년도

의 경우, 상업적 어업시장 규모는 략 830억

달러인데 비해 양식 생산품의 가치는 약 460억

달러 다고 평가되었다. 양식시장의 성장은

아시아에 특히 집중되어 있다. 이 가운데 부

분은 중국에서 성장했는데 세계 생산량의 70%

가 증가했다(FAO, 2000).

중국에서 1986년에 첫 번째 유전자변형 어

류가 생산되었다는 것도 놀랄만한 일은 아니

다. 그 이후, 과학자들은 적어도 10종의 유전

자변형 어류를 개발했다(Hew and Fletcher

1997).

물고기로 형질전환을 할 경우에는 매 실험

마다 다량의 동질적인 물고기를 얻게 된다는

이점이 있다. 그런데 현재까지는 생명공학기

술이 양식 새우에 사용되기는 해도, 일반적으

로 갑각류의 개발은 가축에 비해 뒤쳐져 있는

형편이다. 이렇게 된 까닭은 새우에 관한 기초

지식의 부족이라는 측면과 일정 부분 관계가

있다. 새우의 유전자에 한 이해를 적극적으

로 보강하고 유전자 지도를 만들게 되면 갑각

류 개발에도 생명공학기술을 더 많이 적용시

킬 수 있으리라고 전망한다.

물고기와 다른 수중생물에 한 유전공학

기술을 적용하기 위한 연구의 부분은 빠른

성장, 스트레스저항성, 내병성, 그리고 불임

1부

총론

자료: 식품의약품안전청(2001), 한국생명공학연구원(2003), The Pew Initiative on Food and Biotechnology(2001)를 재정리함

<표 1-1-1-05> 유전자변형 포유동물 개발 현황


염소

돼지

양, 돼지, 염소

거미실크를생산하기위한염소개발

장기이식을위한조직과기관생산

의학적인치료에이용되는인체단백

질의생산

실크를 만드는 데 사용되는 거미 유전

자 유래의 단백질을 함유한 우유 생산

과학자들은 복제 돼지의 능력을 증명

하 으며, 성공적인 장기이식의 결정

적인 요인인 조직거부와 생체 전이에

한 원인을 좀 더 이해하기 위하여

현재 연구중

유전자 질환에 치료가 목표인 단백질

을 생산

상업화 임박

실험실

실험실

(이중 몇 가지는 임상실험중)


26

(환경 내로 유전자변형 수중생물의 비의도적인

방출을 조절할 중요한 기술)에 초점을 맞추었

다. 이밖에 생물탐지기로 이용이 가능한 물고

기를 만드는 데도 유전자변형 기술이 적용되고

있다. 발광효소인 Luciferase와 같이 감지가 수

월한‘Reporter 유전자’를 도입함으로써 환경

상태를 조기에 측정하는 데 사용할 수 있다. 연

구자들은 향과 할로겐화 탄화수소(Dioxn,

PCBs) 및 전자인식인자(Guinones), 금속반응

인자(수은, 구리, 카드뮴, 아연)와 같은 환경오

염에 민감한 지브라피쉬(Zebrafish)를 만들었

다 (Carvan et al. 2000). 또한 에스트로겐 및

레티노이드산에민감한물고기도개발하고있다.

이들연구진행상황은<표1-1-1-06>에요약했다.

다. 유전자변형 곤충

농업에서 곤충은 유용한 것과 그렇지 않은

것의 두 종류가 있다. 곤충들은 식물 교잡의 기

본 기작인 수분에 필수적이다. 포식자와 다른

생물들에 한 먹이로서도 꼭 필요하다. 그렇

지만 곤충은 식물과 동물들에게 병원균을 옮

기고, 농작물을 소비하는 등의 해를 끼치기도

한다.

연구자들은 합성 화학 살충제의 용물을

찾고 있다. 이는 살충제가 환경과 인류의 건강

에 악 향을 미칠 수 있기 때문이다. 곤충에 의

한 피해를 줄일 수 있는 좋은 전략은 자연에서

지금까지 발견된 생물학적 기구를 사용하는

것이다. 연구자들은 전염성이 적거나 질병의

자료: The Pew Initiative on Food and Biotechnology(2001∙2003)를 재정리함

<표 1-1-1-06> 표적인 유전자변형 어류 개발 현황


메기

양식물고기

양식물고기

양식물고기

새우

연어

연체동물

수중식물

미세조류

장패혈증(감염된후5일내에물고기를

치사시킬수있는질병) 방지

성장촉진및식품이용성증가

양어장에서내한성을향상시켜갑작스

런기온변화로인한손실감소

불임물고기생산

누런머리병과흰반점증후군의원인이

되는병원균바이러스억제

성장촉진 및 식품 용도성 향상

성장촉진 및 질병 저항성 향상

Agar나 Carrageenan 생산성 향상

빛 의존도 감소시킨 미세조류

내병성 향상

조구에 비해 성장률이 3~5배 빠른

성장 호르몬 유전자를 가진 유전자변

형 연어 개발

다른 물고기의 유전자로부터 내성을

조절하는 유전자를 도입(내한성 증진)

유전자변형에 의해 불임이 되는 호르

몬 조절

Triger Prawns를 유전자변형하고 바

이러스 내성을 위해 Retro Virus를 사

용함

Chinook Salmon 성장호르몬 삽입

외래 DNA 삽입

-

당 사에 관여하는 생화학적 유전자

삽입

실험실

실험실(현재, 최소 8종의 물고기가 성

장촉진을 위하여 유전자변형 됨)

실험실

실험실(불임성 물고기를 생산하기 위

해서 이미 배수체유기 방법이 사용되

고 있으나 이 방법은 100% 불임을

보장하지 못함)

실험실

승인(특허)

연구

연구

연구

27

감염이 비효율적인 포식자를 만들기 위하여

노력하고 있다. 그들은 다른 해충과 곤충의 상

호 관계를 제한하고, 야생에서 곤충의 생존력

을 조절하며, 목표 수준을 높이는 노력을 집중

시킴으로써 원하지 않는 환경에 한 향을

최소화하려고 한다. 이에 관한 연구 현황은 표

<표 1-1-1-07>에 요약했다.

1부

총론

자료: The Pew Initiative on Food and Biotechnology(2001∙2004)를 재구성함

<표 1-1-1-07> 유전자변형 곤충 개발 현황


진드기

모기

솜벌레

누에

해충방제

곤충의질병전염능력을감소시킴으로

써말라리아와모기로인해생긴질병

을방제

목화작물의파괴억제

의약용 또는 단백질의 생산

캘리포니아 아몬드 해충 억제 효과가

있는 유전자를 도입한 진드기를 만듬

유전자 변형으로 인한 모기 숙주의 말

라리아 기생충에 한 저항성 증가, 기

생충을 죽이거나 인간 전염 능력의 방

해

현재 실시하고 있는 해충관리 프로그

램은 해충의 방제를 위해 솜벌레나방

을 풀어놓은 것임

의약 및 산업용 단백질의 저비용 생산

실험실 / 포장시험

실험실

포장시험

실험실


28

<참고문헌>

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29

1. 유전공학

(1) 중심이론

유전물질은 생명체의 생활과 특성을 결정하

는 핵심 요소이다. 이것이 생명현상을 이뤄내

기까지 기본이 되는 이론을 중심이론이라고

한다(그림 1-1-2-01 참조).

그 내용은 DNA에 담긴 정보가 전사(Trans-

cription)와 번역(Translation)의 과정을 거쳐

단백질을 만들고, 이 단백질이 생명현상을 주

도하는 역할을 하게 된다는 것이다.

먼저, DNA가 mRNA로 복제되면 mRNA를

주형으로 삼아서 단백질을 만드는데 이 과정

을 번역(Translation)이라고 한다. 즉, mRNA

에 부호화된 메시지는 아미노산 배열로 번역

되어 단백질의 기본 성분인 아미노산을 만든

다. 그리고 이 아미노산이 모여서 단백질을 만

들게 된다.

중심이론은 매우 간단해 보이지만 사실은

많은 내용을 담고 있으며, 이 중심이론을 뒷받

침 해주는 원리는 다음과 같다.

(2) 유전자의 구조

유전자는 가장 작은 물리적∙기능적인 유전

단위이며, 특정한 생물학적 구조 또는 기능에

관한 정보를 가진다. 엑손(Exon)은 유전자 속

에 있는 DNA의 한 부분인데 이것이 RNA로 전

사된다. 프로모터는 RNA의 전사율을 조절하

는 유전자이다. 이는 언제 어느 세포에서 주어

진 유전자가 발현될지를 조절한다. 프로모터

의 오른쪽에는 부호가 기록되어 있는 엑손과

1부

총론

Transcription

Self Replication

DNA mRNA Protein TraitTranslation

(그림 1-1-2-01) DNA 중심이론

제2절 유전자변형 기술의 발전 연혁 및 특성 본 절에서는유전자변형생물체를

만드는 데 기본적으로알아두어야 할 내용을 살펴보고, 유전자변형동물을 만드는과정에 해 기술했다. 또

한개발기술에 한총괄정리뿐만아니라사용되고있는검정기술에 해서소개했다.

∙유전자는 DNA로 구성

∙유전자는 뉴클레오티드(A, C, G, T)로 부호화 : 구조

와 생물학적 기능에 한 정보 함유

∙유전정보는 mRNA로 변환

∙mRNA는 단백질에 들어가는 아미노산의 수, 종류,

순서를 결정

∙단백질 구조는 아미노산 순서에 의해 결정

∙단백질의 입체구조에 따라 생물학적 기능 결정


30

인트론(Intron)이 온다. 전사가 되는 것은 이

부분이다. 그러나 인트론은 mRNA 과정 중 단

백질 생성 직전에 잘려나간다. 따라서 엑손에

는 만들어질 단백질의 부호가 들어있게 된다.

이러한 유전자의 구조를 표현하면 (그림 1-1-2-

02)와 같다.

(3) 유전자조작

유전자조작을 하기 위해서는 비교적 순수

한 DNA를 충분히 얻어야 한다. 기본 절차는

세포에서 DNA를 추출하는 것과 이 DNA를 실

험에 사용할 만큼 정제하는 것이다. 또한

DNA에서 필요한 부분만 잘라내야 한다. 이렇

게 DNA를 절편으로 만들 수 있게 한 것이 제

한 효소이다. 이것은 DNA의 특정부위만을 인

식하여 잘라낸다.

유전자조작은 DNA의 구조가 밝혀진 것과

아울러 이 제한효소의 존재를 알고난 후 비로

소 가능해졌다. 효소마다 DNA를 잘라내는 위

치는 서로 다르다. 그러므로 이것은 DNA를 조

각내서 새로운 유전자를 만들 때 필수적인 도

구가 되었다. 몇 가지 제한효소와 잘라내는 위

치는 <표 1-1-2-01>과 같다.

DNA를 추출하고 정제하는 방법은, 우선 원

하는 플라스미드가 들어있는 박테리아 세포를

알칼리 조건에서 녹이고 이 용균액을 여과기

나 원심분리기로 정제한다. 정제한 용균액을

적절한 저염 및 pH 조건으로 만든 뒤 플라스

미드 DNA를 선택적으로 잡는 장치에 넣는다.

그리고 RNA, 단백질, 사물질, 분자량이 낮

은 기타 불순물들을 중염 세척으로 제거한 다

음, 플라스미드 DNA를 고염 완충액에 방출한

다. 마지막으로 이 DNA를 농축하고 염을 제거

하여 유전자조작에 사용하게 된다.

분리 정제에 의해 DNA가 얻어지면, 유전자

조작에 사용할 부분을 제한효소를 이용하여

잘라낸다. 같은 제한효소나 보완적인 제한효

소로 잘린 DNA 조각들은 끝부분이 서로 상보

적이기 때문에 이어붙일 수 있다. 이 때는 제한

(그림 1-1-2-02) 유전자의 구조

프로모터(Promoter) 엑손(Exon) 엑손(Exon)인트론(Intron)

<표 1-1-2-01> 분자생물학에서 사용되는 제한 효소들

효소 자르는 위치 출처

Aat IGACGT'C

Acetobactoer acetiC'TGCAG

Acc IIIT'CCGGA

Acinetobacter calcoaceticusAGGCC'T

BamH IG'GATCC

Bacillus amyloliguetaciensC'CTAG'G

EcoR IG'AATTC

Escherchia coli RY 13CTTAA'G

EcoR VGAT'ATC

Escherchia coli J62PLG74CTA'TAG

Nco IC'CATGG

Nocardia corallinaGGTAC'C

Xba IT'CTAGA

Xanthomonas badriiAGATC'T

31

효소가 아닌 DNA 연결효소(DNA Ligase)를

이용한다. 과학자들이 중요 단백질에 해당하

는 유전자배열을 알아내면, 공학자들은 이 정

보를 여러 가지에 응용하여 상상 속에서만 가

능했던 것을 현실화했다. 이러한 원리를 바탕

으로 유전자변형생물체(Living Modified

Organisms : LMOs)가 탄생하게 되었다.

(4) 유전자변형

유전자변형이란 외래 유전자를 다른 생물에

집어넣어 자연적으로 가질 수 없는 유전자 서

열을 만드는 것을 말한다. 이것은 박테리아에

항생제 내성을 가진 플라스미드를 넣거나, 호

르몬을 생산하는 변형 유전자를 소의 생식세

포에 도입할 수 있게 만든다.

이러한 기술의 최종 목적은 다른 생물 또는

개체에 안정되고 물림이 가능하도록 새로운

형질을 갖게 하는 유전자를 넣는 데 있다. 이는

변형 유전자를 운반하는 적절한 벡터를 만들

어야 가능해진다. 이같은 벡터로는 플라스미

드, 레트로 바이러스(RNA), 박테리오파지 등

이 있다.

유전자변형을 성공적으로 유도하려면 외래

DNA를 표적 세포에 도입하는 방법, 형질전환

에 적합한 세포 또는 조직 구별 방법, 형질전환

된 세포나 개체의 식별 및 선택 방법 등을 잘

고려해야 한다. 이들 각각이 최적화가 되어야

만 형질전환의 최종목표인 새로운 형질을 갖

게 될 수 있다.

(5) 유전자변형 기술

유전자변형 기술을 크게 나누어 보면 두 가

지가 있다. 하나는 세포에 외래의 고분자를 흡

착시키는 방법이고, 다른 하나는 인위적으로

삽입하는 것으로 물리화학적 처리와 자연상태

하에서 감염에 의해 일어나게하는 방법이다.

가. 고분자 흡착 기능을 이용한 유전자변형

방법

수확하여 잘 건조된 종자(Dry Seed)나 완전

히 성숙된 배(Mature Embryo)를 목적으로 하

는 DNA의 용액에 직접 침지 배양(Incubation)

한다. 또는 조직이나 세포의 수준에서 목적으

로 하는 DNA 용액을 통해 직접 배양한다. 아

니면 원형질체를 목적으로 하는 DNA의 용액

에 직접적인 배양 방법을 통해 분자적인 흡착

을 유도해내는 방법을 사용한다.

나. 인위적으로 목적한 유전자를 삽입하는

유전자변형 방법

PEG(Polydthylene Glycol)나 Liposome의

처리와 Liposome의 주입과 같은 화학적 방법

이 있다. 그리고 Microlaser, Electroporation,

유전자총, 미세주입법 등의 물리적 방법과 아

1부

총론


32

그로박테리움(Agrobacterium), 바이러스

(Virus)를 이용하는 생물적 방법이 있다(그림

1-1-2-03 참조).

(6) 유전자변형 동물

유전자변형 기술의 다른 방법들은『2003 바

이오안전성 백서』에 기술되어 있으므로, 여기

에서는 유전자변형 동물을 만드는 방법에

해 언급하겠다.

최초의 유전자변형 동물은 1980년 미국 예

일 학의 J. W. 고든 팀이 만든 바이러스 효소

생성 유전자를 삽입한 쥐이다. 1982년에는 워

싱턴 학의 R. D. 팔미터에 의해 실험용 흰쥐

의 성장호르몬 유전자를 가진‘수퍼마우스’가

탄생했다. 이후 유전자변형 동물을 만드는 작

업이 계속해서 이루어지고 있다. 유전자변형

동물을 만들기 위해서 가장 많이 쓰이는 방법

으로는 ES세포 이용과 미세주입법의 두 가지

가 있다.

가. ES세포를 이용한 방법

이 방법은 효율성이 높을 뿐만 아니라 목적

하는 유전자에 조준을 맞추는 유전자표적법에

의해, 그 유전자가 기능하도록 고도의 조작을

할 수 있다. 현재 ES세포가 만들어지는 동물은

쥐와 인간뿐이다. 그 외의 동물에서는 ES세포

와 비슷한 세포는 만들어지고 있지만 완벽하

지는 않다.

쥐나 토끼와 같은 작은 동물뿐만 아니라 소,

(그림 1-1-2-03) 연도별 유전자변형 기술에 한 발전도 모식화

자료 : 2003 신기술 동향 조사 보고서, 식물개량 기술, 특허청

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33

돼지, 양, 염소 등의 형동물에도 유전자 도입

이 가능해지고 있다. ES세포 배양중에 유전자

를 도입해 놓고, ES세포를 다른 배반포(胚盤

胞)에 주입함으로써 키메라동물을 제작하는

방법이 있다(그림 1-1-2-04 참조).

이는 유전자 발현 메커니즘의 해석, 유전자

기능의 해석, 인간 질환모델 동물의 제작, 가축

의 품종개량, 생리활성물질의 생산 등에 관한

연구나 응용에 이용되고 있다. 이 기술은 인간

에게 유용한 유전자를 수정란에 이식해 원하

는 동물을 만들어내는 데 주로 이용된다. 최근

들어 생리활성물질의 량생산, 고품질의 농

축산물 개발, 유전자의 기능 규명 등에 이용되

고 있다.

나. 미세주입법(Microinjection)

수정란에 직접 유전자를 넣는 방법으로 다

양한 동물에게 응용할 수 있다(그림 1-1-2-05

참조). 그러나 유전자를 넣는 것 이외에는 다

른 고도의 기술을 응용할 수 없다. 게다가 성공

률도 낮아 보통 1,000마리 당 한 마리 꼴로 성

공한다. 이렇듯 미세주입법은 비효율적이기

때문에 한 마리를 만들어내는 데 막 한 비용

이 들어간다. 그뿐만 아니라 ES세포를 이용할

때와 비교해보면 세심한 조작도 불가능하다.

특히 미세한 유리관을 이용하여 직접 세포에

DNA 등의 시료를 넣는 방법으로 삽입 장치인

마이크로머니 퓰레이터의 조작에는 숙련된 기

술이 요구된다. 그런데 최근에는 새롭게 개발

된 인젝트스코프에 의해 조작이 훨씬 용이해

졌다.

1부

총론

(그림 1-1-2-05) 미세주입법

난핵 정핵

매우 정 한

미세바늘

핵을 잡아주는

역할

줄기세포 배양시 개조

수정된 난자

포배를 리모에 이식

변형된 줄기세포를포배(blastocyst)안으로 삽입

(그림 1-1-2-04) 배반포에 ES세포 주입을 통한 키메라동물 제작 방법

자료 : www.research.co.nz


34

2. 검정기술

미생물, 식물, 동물 등 유전자변형 기술을

이용하여 특이 형질을 부여받은 생물체들이

만들어지고 있다. 이러한 추세에 응하여 유

전자변형생물체의 국가간 이동에 따른 LMOs

혼입 여부를 판단하는 것도 주요 문제로 두

되었다.

이는 아직 바이오안전성의정서(The Carta-

gena Protocol on Biosafety, 이하 의정서)가

모든 국가에 공통 적용되는 것도 아니고 각 국

의 국내법에 따라 조치가 취해지므로 개발 못

지않게 검정기술도 중요하다 할 수 있다. 개발

에 발맞춰 정확하게 유전자변형 인가를 알아내

는 검정기술 역시 과학이 오직 이익만을 위하

여 다른 사항들은 고려하지 않는다는 편견을

바로잡을 수 있는 한 예가 될 것이다. 이러한

검정기술을 통해 인체 및 환경 위해성에 한

판단과 세부적인 증거를 제시할 수 있으므로,

개발기술의 발달과 함께 검정기술의 발달은 필

수불가결하다.

현재 농산물 또는 식품에 한 LMOs 혼입

여부를 검정하기 위하여 DNA 이용 PCR 분석

법과 단백질을 이용하는 Strip 검사법 및 효소

면역학적 방법(ELISA)이 사용되고 있다. 그러

나 지금까지 국내외적으로 통용되고 있는 공

인 검정기술은 없다. 국제적으로 국제식품규

격위원회(CODEX)에서 표준 검정기술을 만들

기 위해 논의중이며, 2003년 7월 유전자변형

기술로 생산되는 식품의 안전을 평가하기 위

하여 상품 유통경로추적을 비롯한 위험관리지

침을 승인하기에 이르 다. CODEX는 196개

국 600여 명의 보건 및 식품 전문가가 참석한

로마 총회에서 GM 식품의 위험 평가 기준, 이

문제에 한 사회적 인식 고취 방안, 식품 및

음료의 GM 미생물 사용 여부, 신종 독성물질

이나 알레르기 유발물질 함유 여부 판정절차

등에 관한 3개 문서를 승인했다. 국내에서는

「유전자재조합식품검사지침」과「유전자변형

농산물검정방법(농관원고시 제2001-1호)」을

통해 검정을 수행하고 있다.

유전자변형생물체의 검정방법은 크게 정성

분석법과 정량분석법으로 나눌 수 있는데 각

각의 개괄 원리는 <표 1-1-2-02>와 같다.

(1) 효소면역학적 방법(ELISA)

ELISA 방법은 GM 작물에 도입된 유전자에

의해 생산되는 단백질을 특이적으로 인지해

내는 항체 단백질을 이용하는 정량적 검정방

법이다. 이는 96개의 Well Plate의 형태로 시

판되고 있다. 이 방법은 검출 상 단백질이 존

<표 1-1-2-02> 검정기술 개괄

구분 정성분석 정량분석

단백질 Lateral Flow Strip 기술 ELISA

DNA PCR RT PCR

35

재하는 GM 작물과 농산물 및 원료 등 비가공

식품의 검정에 적합하다. 현재 제초제저항성

콩, YieldGard, Starlink 등의 확인이 가능하

다. 그렇지만 이 방법에는 ELISA Reader와 숙

련된 기술자가 요구되며, 단백질이 파괴된 가

공식품에는 적용할 수 없다는 단점이 있다. 또

한 몇몇 유전자변형 작물은 탐색 가능한 정도

의 단백질을 발현하지 않기 때문에 적용이 불

가능하다. 이 방법의 LMOs 함유량 검정한계

는 0.5~1%로 알려져 있다. 따라서 비의도적

혼입 허용치에 한 분석 오차범위 검토가 먼

저 이뤄져야 한다.

(2) Lateral Flow Strip

효소 면역학적 방법 중의 하나로 기본 원리

는 ELISA와 같다. 이는 유전자변형생물체 내

로 새롭게 도입된 유전자가 생산하는 재조합

단백질을 항원 단백질로 인지하여 반응하도록

한 항체 단백질을 검사용 Strip에 결합시켜 생

1부

총론

(그림 1-1-2-06) Lateral Flow Strip

Sample

Bt Protein

Labeled

Soecific

Antibodies

Second

Specific

Antibody

Test

Line

Control

Line

Excess

Antibody

Captured Negative

Result

Control

Line

Positive

Result

Test Line

자료 : TRENDS in Biotechnology

ELISA를 이용한 최적화 요소

∙변수 선택 : Kit 성능, 변형 단백질 실험 방법, 반응 시간

∙한계치 : 양성 또는 음성반응인지 시험하기 위한 한계

∙ 조군의 추적 : In-house Controls vs. Commercial Kits

∙환경에서의 적용 가능성(실험실 수준이 아닌 일반)

검정시 고려되어야 할 요소

∙Extraction efficiency

∙Accuracy of results

∙Precision and ability to distinguish between closely

related value

∙Sensitivity, limit of detection

∙Specificity

∙Reproductivity

∙Consistency and reliability of detection


36

(그림 1-1-2-07) PCR 기술

37

기는 항원∙항체 반응을 이용한 진단 기법이다

(그림 1-1-2-06 참조).

이 때 변형 단백질이 있는 샘플에는 Color

반응체와 결합하여 띠가 나타나게 되며

(Positive), 반응할 물질이 없는 것은 아무런 표

시가 나타나지 않는다(Negative). 이 검사법은

5~10분 정도의 시간이 소요되며, 고가의 장비

가 필요하지 않으므로 경제적이다. 또한 단시

간에 분석이 가능하여 1차선별 방법으로 사용

되고 있다. 이 방법을 접목할 수 있는 것에는

해충저항성 단백질인 Cry1Ab, 제초제저항성

CP4EPSPS(콩, 캐놀라, 면화, 사탕수수) 등이

있다. 현재 재배지 등 현장에서 간단하게 사용

할 수 있는 Strip형 Kit가 판매되고 있다.

(3) 핵산증폭반응(PCR)

PCR은 GMO(Genetically Modified

Organism) 검정에 널리 이용되고 있는 방법이

다. 그 이론적 근거는 1971년 Kleppe 등이 제

시했고, 실질적으로 실험에 응용된 것은 1985

년 Saiki 등에 의해서 다. 이후 PCR 기술은

분자생물학 분야와 생물의학 분야의 주요 기

술로 자리 잡았다. 이것은 도입된 외래 유전자

의 염기서열을 인식하여 량 증폭한 다음, 가

시적으로 도입유전자의 유무를 확인할 수 있

도록 하는 방법이다(그림 1-1-2-07 참조). 도입

유전자의 발현을 위한 프로모터나 터미네이터

부위와 같은 유전자 조절 부위(예 : 35S

Promoter, NOS Terminator)의 프라이머를 이

용한다.

이 분석법을 통해 혼입 LMOs의 품종을 확

인할 수 있고, 부분의 상용화된 LMOs에 적

용이 가능하다. 또한 가공식품에도 이용할 수

있어서 단백질을 기초로 하는 분석법보다 넓

은 범위의 시료를 상으로 검사를 할 수 있다.

이는 LMOs의 혼입 유무를 판단할 수 있는

표적인 정성적 검출법인데 0.01%까지 감도가

높아지고 있다. 이 수치는 콩이나 옥수수 각각

1만알(3~4kg) 중 1알이 LMOs라고 판정될 수

있음을 의미한다. 그러나 이 방법을 활용하기

위해서는 도입유전자에 한 유전정보를 확보

할 필요가 있다. 이것은 LMO 개발회사의 자발

적인 협조 없이는 어려운 실정이다. 게다가 고

가의 장비가 필요하고 반응 시간이 오래 걸린

다. 이외에도 사용되는 프라이머의 디자인에

따라 검사 가능 범위가 결정되며, PCR 산물이

큰 경우는 가공품 검사시 검출 감도가 떨어지

는 문제가 있다.

(4) 정량분석을 위한 PCR

PCR을 이용하여 정량분석이 가능한 것에는

Real Time PCR(RT-PCR)과 경쟁적(Quantita-

tive Competitive : QC) PCR이 있다. RT-PCR

은 TaqMan Chemistry 또는 Hybridization

1부

총론


38

Probe법을 이용하여 PCR 반응의 실측치를 측

정한다. 그런데 이 경우에는 형광색소를 이용

하여 PCR 반응을 측정하게 되므로 특수한

PCR 정량 전용 기기가 필요하다. 즉, 유전자

의 증폭과 함께 정량적으로 모니터링해 주는

방법이며, 농도별 공인 표준시료나 표준 플라

스미드를 표준물질로 사용하여 RT-PCR에 의

해 표준물질에 한 내재유전자와 외래유전자

의 비율을 통한 데이터를 얻게 되는 것이다. 표

준 플라스미드는 일반적으로 Promoter,

Event-specific Sequence, Endogenous

Reference Sequence를 갖는다. 현재 국내에

서는 콩 1품종 및 옥수수 5품종에 한 정량분

석이 가능하다.

QC-PCR은 표준 플라스미드 DNA를 이용하

여 검지시료의 DNA 양을 상 적으로 결정하

는 방법이다. 동일한 시험관 내에서 Standard

DNA와 검지시료의 DNA에 하여 동일한 프

라이머가 경쟁적으로 작용함으로써 증폭된 각

각의 PCR 산물의 밴드강도 비교를 통해 샘플

의 밴드강도가 같은 곳을 평형점으로 삼아 정

량하게 된다. 이를 반정량적 방법이라고도 한

다. 이 기술은 먼저, LMOs 내에 도입된 유전자

를 PCR 증폭한 후 표준 DNA를 제작하게 된

다. 그리고 이를 검정할 시료의 DNA와 혼합하

여 같은 튜브 내에서 동일한 프라이머의 경쟁

적인 이용을 통해 각각 증폭된 DNA 단편을 전

기 동한다. 그런 뒤 Gel Densitometrically

Analysis를 이용하여 밴드강도를 비교하게 된

다. 이 방법을 사용할 때는 두 DNA의 경쟁관

계가 검출감도의 저하를 가져올 수도 있다는

점을 고려해야 한다.

현재 시행되고 있는 정량분석기술은 삽입

LMOs의 절 량이 아닌 상 적인 혼입률만을

측정하게 되므로 일정한 표준물질의 확보가

어렵고, 동일 품종이라도 개체가 다르기 때문

에 일정하지 않다는 문제점을 갖는다. 분석 가

능한 유전자변형 계통의 한계도 있다. 이와 아

울러 ELISA나 PCR법 등은 분석 방법에 따라

정량값이 달라질 수 있으며, 가공식품은 정량

이 더욱 어렵다는 한계가 있다(표 1-1-2-03 참

조).

<표 1-1-2-03> 검정기술 정리

구분 검사법 기술 내용

DNA정성 PCR 기법 도입유전자의 발현을 위한 유전자 조절 부위 Primer를 증폭시켜 검정하는 방법

정량 Real-Time PCR PCR 증폭과정중에서 발색되는 형광색소의 양을 실시간별로 측정하여 정량

정성 Lateral Flow Strip Technology재조합 단백질을 항원 단백질로 인지하는 항체 단백질을 검사용 Strip에 결합시켜, 항원-

항체 반응에 의한 진단기법단백질

정량 ELISA도입된 유전자가 생산하는 특이 단백질을 인지할 수 있는 효소결합 항체 단백질을 이용한

검정방법

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