DNA를 둘러싼 거의 모든 과학 이야기

“너와 난 DNA부터 달라” 또는 “이래서 DNA가 중요하지” 등등 우리는 생활 속에서 DNA라는 말을 꽤 자주 사용하고 접한다. 그런데 막상 DNA가 무엇인지 설명하려면 쉽지 않다. DNA는 디옥시리보핵산(Deoxyribo Nucleic Acid)의 약어로, 일상 속 그 용어의 쓰임새에서 짐작할 수 있듯이 모든 생물체의 기본 유전물질이다.
DNA는 1869년 스위스의 프리드리히 미셔가 처음 발견했고, 1944년 오즈월드 에이버리의 형질전환 실험을 통해 유전물질임이 확인되었다. 그리고 DNA의 이중나선구조는 로잘린드 프랭클린의 DNA X선 회절사진을 증거 삼아 제임스 왓슨과 프랜시스 크릭이 1953년 〈네이처〉에 수록한 논문을 통해 밝혀졌다. 이제 DNA의 이중나선구조는 유전물질의 상징과도 같이 알려져서 DNA에 대해 잘 모르는 일반인에게도 아주 친숙한 이미지가 되었다.
이 책은 DNA의 발견 과정부터 시작해 DNA에 대한 화학적 설명, 나아가 DNA가 하는 일과 DNA 관련 기술의 이모저모를 차근차근 설명한다. 그리고 분자생물학에서 뻗어 나온 유전공학과 분자의학, 생명을 (재)창조한다는 아이디어까지 나아가는 합성생물학의 영역까지 두루 살펴본다. 생명의 비밀을 담은 DNA와 관련한 거의 모든 과학 지식과 정보를 담았다.

생명의 비밀을 담은 DNA, 인류의 미래를 품은 DNA

집에서 아주 간단한 방법으로 DNA를 추출하는 방법을 알려 주면서 시작하는 1장 “DNA란 무엇인가”에서는 DNA를 처음 발견한 프리드리히 미셔의 실험부터 DNA의 이중나선구조 발견에 얽힌 이야기까지 DNA에 대한 기본 정보를 제공한다. 2장 “DNA, 자세히 들여다보기”에서는 DNA의 명칭부터 ‘화학적으로’ 설명한다. DNA, 즉 디옥시리보핵산에서 ‘디옥시리보’는 ‘산소 원자가 하나 빠진 리보스라는 당이 있다’라는 의미고, ‘핵산’은 ‘핵에서 발견되는 약산성 물질’이라는 의미다. 이런 식으로 화학을 잘 모르는 이들도 이해하기 쉽게 설명해 나간다.
3장 “DNA가 하는 일”에서는 복제, 전사, 번역에 대해 설명한다. ‘복제’는 DNA를 복사하는 과정이고, ‘전사’는 DNA의 정보가 mRNA(messenger RNA)로 옮겨지는 과정이다. ‘번역’은 mRNA의 서열이 단백질을 구성하는 아미노산의 서열로 옮겨지는 과정이다. 4장 “돌연변이는 오류일까?”에서는 DNA 염기 하나가 바뀌어 발생하는 점돌연변이와 그 외 다양한 돌연변이 현상을 설명한다.
5장 “DNA 기술의 이모저모”에서는 코로나19 상황에서 익숙해진 PCR(중합효소연쇄반응)부터 크리스퍼 유전자가위 기술까지 DNA 관련 과학기술의 기본 원리와 가능성을 설명한다. 6장 “DNA 수사대”에서는 신원을 확인하고 범죄인을 밝히는 등 DNA 분석을 통해 알아낼 수 있는 것들에 대해 이야기한다. 7장 “기대 혹은 우려, 유전공학”에서는 의약품이나 사람에게 유용한 형질을 갖는 생물체를 생산하는 유전공학의 여러 사례를 살펴본다. 8장 “가능성과 윤리적 문제 사이에서, 분자의학”에서는 태아의 유전질환을 조기에 발견하고 질병을 일으키는 돌연변이를 교정하는 데 재조합 DNA 기술과 유전가가위 기술을 사용하는 문제를 다룬다.
9장 “사람의 DNA는 특별할까?”에서는 사람의 전체 게놈의 염기서열을 밝히는 ‘인간게놈프로젝트’의 과정과 인간게놈프로젝트의 연구 결과가 어떻게 다양한 학문 분야에 적용되는지 설명한다. 10장 “모든 것은 DNA에서 시작된다”에서는 영화 〈쥬라기 공원〉의 예를 들어 DNA를 처음부터 다시 만들거나 새롭게 합성하는 것이 가능해진 현실을 이야기한다. 재조합 DNA 기술과 유전자가위라는 정밀한 도구로 유전자, 대사경로, 전체 게놈의 합성 또는 구성에 중점을 두는 합성생물학이라는 새로운 분야와 관련된 사안을 다룬다.
책 중간중간에 있는 “생각의 확장”에서는 여러 과학 사실 및 현안과 관련한 정보와 논쟁 사안을 제시한다. 이를 통해 함께 이야기 나누며 생각을 확장하도록 유도했다.

책 속에서

DNA 분자가 물리적으로 어떻게 생겼는지 이해하기 위해 어린이 소방차 장난감에서 플라스틱 사다리를 활용해 볼까요? 플라스틱 사다리를 물에서 천천히 가열해 플라스틱이 휘어질 정도가 될 때까지 기다립니다. 이제 뜨거운 물에서 사다리를 꺼내 양손으로 양쪽 끝을 잡고 열 줄 길이마다 한 바퀴를 회전하도록 조심스럽게 비틀어 봅니다. 그대로 식히면 이중나선이 됩니다. -36-37쪽

우리의 핵 DNA는 무작위로 부모에게서 각각 물려받은 것이지만 미토콘드리아 DNA는 모계를 통해서만 고스란히 전달됩니다. 나의 미토콘드리아 DNA와 어머니의 미토콘드리아 DNA의 차이는 매우 미미하며, 혹시 차이가 난다면 평생 축적된 무작위 돌연변이에서 비롯된 것이라고 할 수 있어요. 건강에 해로운 수준의 방사선에 노출되지 않는 한 거의 동일하죠. 어머니에게서 받은 최고의 선물이라고 할 수 있습니다. -48쪽

돌연변이는 DNA의 복제 과정에서 발생한 오류입니다. 대개 돌연변이는 단백질의 구조와 기능에 거의 영향을 미치지 않는 방식으로 일어나지만, 특별한 경우에는 큰 영향을 미치거나 생물체의 경우 유전질환을 유발할 수 있어요. 우리는 돌연변이를 보통 부정적으로 이야기하지만, 만약 공통조상(종 분화 이전의 생물 집단을 가리키는 진화생물학 용어)에서 돌연변이가 나타나지 않았다면 지금과 같 은 다양한 생물체는 만들어질 수 없었을 거예요. -65쪽

범죄 현장에서 수집한 DNA 증거는 사건을 해결하려는 수사관에게 강력한 단서를 제공할 수 있습니다. DNA는 머리카락, 혈액, 타액, 피부세포 등 다양한 물품에서 발견되죠. 법의학자는 범죄 현장에서 채취한 DNA를 용의자나 알려진 범죄자로부터 채취한 DNA 샘플과 비교해 현장에 누가 있었는지 파악하고 범죄와 연관시킬 수 있습니다. -115쪽

DNA가 돌연변이하면 여러 유전질환을 발생시킬 수 있습니다. 그러나 DNA 기술을 활용한 의학유전학의 발달로 좀 더 효율적으로 조기에 유전질환을 발견하게 되었지요. 염색체 이상의 구분, 대립유전자의 돌연변이 조사, 이 돌연변이로 인한 산물 분석 등으로 가능한 한 조기에 질병을 검출하기 위해 노력하고 있습니다.
또 질병을 일으키는 이 돌연변이를 교정하기 위해 재조합 DNA 기술과 유전자가위 기술을 사용하는 유전자 치료가 체세포와 생식세포를 대상으로 이루어지고 있어요. 이 유전자 치료는 많은 가능 성과 함께 윤리적 문제 또한 내포하고 있습니다. -153쪽

인간게놈프로젝트 이후 게놈 시퀀싱에 사용되는 기술은 최근 몇 년 동안 급속도로 발전하여 완전한 게놈을 더 빠르고 저렴하게 시퀀싱할 수 있게 되었습니다. 2003년에 완료된 인간게놈프로젝트는 최초의 완전한 사람 게놈을 시퀀싱하는 데 10년이 넘게 걸렸고 수십억 달러의 비용이 들었습니다. 하지만 오늘날에는 기술의 발전으로 훨씬 저렴한 비용으로 단 몇 시간 또는 며칠 만에 사람 게 놈을 시퀀싱할 수 있게 되었죠. -176쪽

과학자들은 실험실에서 모든 종에 존재하는 기존 유전자의 정확한 사본을 다시 만들 수 있습니다. 그러나 기존 유전자를 변경하려면 새로운 ‘부분’을 합성한 다음 서로 연결해야 합니다. 이를 위해 과학자들은 특정 DNA 염기서열에 따라 정확한 순서로 A, T, G, C의 염기서열을 합성합니다. 또 변화가 크지 않은 경우 게놈 내에서 유전자 편집 기술을 사용해 이 작업을 수행할 수도 있어요.
지금은 박테리아와 바이러스 같은 작은 생물체의 게놈 전체를 합성하는 것이 가능해졌습니다. 과학자들은 50-100염기 길이의 작은 DNA 조각으로 시작하여 올바른 순서로 서로 연결해서 더 큰 조각을 만든 다음 이 큰 조각들을 연결해 더 큰 조각을 만듭니다. 결국 실험실에서 온전하고 완전한 게놈 전체를 구축할 수 있습니다. -201쪽

들어가며

1장 DNA란 무엇인가
DNA 추출하기
DNA 화학의 시대
DNA가 유전물질이다
DNA의 구조 발견
((생각의 확장))

2장 DNA, 자세히 들여다보기
DNA가 유전물질이 되기 위한 조건
DNA를 화학적으로 설명하기
DNA는 어느 곳에 어떻게 있을까?

3장 DNA가 하는 일
정보 전달의 방향성
매일 1000억 미터씩, 복제
mRNA 만들기, 전사
단백질 만들기, 번역

4장 돌연변이는 오류일까?
DNA 염기 하나가 바뀌는, 점돌연변이
유전성 질환과 암을 유발하는, 염색체 이상
유전법칙을 정량화한, 멘델의 법칙
다윈의 진화론과 유전 메커니즘
DNA가 약간씩 다른 각 사람은 모두 돌연변이체
((생각의 확장))

5장 DNA 기술의 이모저모
DNA 분자를 분리하는, 겔전기영동법
DNA 조각을 동일하게 대량으로 만드는, 클로닝
유전자 및 돌연변이를 찾고 진단하는, 마이크로어레이 방법
DNA 서열을 매우 빠르게 증폭하는, 중합효소연쇄반응(PCR)
암호화된 유전정보를 이해하기 위한, DNA 시퀀싱
아주 효과적인 유전자 변형 방법, 크리스퍼 유전자가위

6장 DNA 수사대
범죄인을 밝혀내고 억울한 사람을 풀어 주다!
가족을 찾아 주다!
역사적 인물의 신원을 밝히다!
참사 희생자들의 신원을 확인한다!
출생의 비밀을 밝힌다!
포도 품종의 계보를 확인하고 유지한다!
산 것이든 죽은 것이든 전부 DNA로 추적한다!
((생각의 확장))

7장 기대 혹은 우려, 유전공학
의학적으로 유용한 단백질 산물 생산, 바이오파밍
유전자 변형 작물의 과거와 현재 그리고 미래
크리스퍼 유전자가위를 활용한 GMO 2.0
유전자 변형 작물에 대한 우려와 대처
유전자 변형 동물의 몇 가지 사례
((생각의 확장))

8장 가능성과 윤리적 문제 사이에서, 분자의학
태아의 세포에서 유전질환의 유무를 밝힌다
유전자 검사 정보, 어떻게 활용할까
결함 있는 유전자를 바로잡는, 유전자 치료
찬반양론이 팽팽한, 생식세포 유전자 치료
온라인으로 직접 검사를 주문하는, DTC 유전자 검사
((생각의 확장))

9장 사람의 DNA는 특별할까?
인간게놈프로젝트의 역사
인간게놈프로젝트를 통해 밝혀진 것
별난 것 없는 사람의 DNA
고인류의 행로를 통해 인류의 조상을 추적한다
35억 년 전 생겨난 최초의 원시세포까지 거슬러 올라가기
생명의 기원을 이해하기 위한 유망한 개념, RNA 세계
((생각의 확장))

10장 모든 것은 DNA에서 시작된다
생명을 (재)창조한다는 아이디어
합성생물학의 가능성과 위험성
492개의 최소 게놈을 가진 합성생물의 탄생
코끼리의 유전자를 매머드의 유전자로 바꾸면!
((생각의 확장))

참고문헌
이미지 출처