Gene editing has made pigs immune to a deadly epidemic

유전자 편집, 전염병 이기는 돼지를 낳다

병에 걸리지 않는 돼지 생산을 위해 유전자 가위(CRISPR)로 돼지 DNA 편집하는 대규모 프로젝트가 진행 중이다. 돼지 다음은 인간? 인간 유전자를 편집한다는 것은 어떤 의미일까?

코로나바이러스(covid-19)가 전 세계로 퍼져나가기 시작했을 때, 각국 정부들은 직장을 폐쇄하고 개인은 거주지에 머물도록 권고했다. 많은 사람들은 정부의 지침이 코로나바이러스 확산을 방지하는데 충분하다고 생각했다. 하지만 당시에 유전자 변형 돼지에 더 많은 주의를 기울였다면 바이러스를 더 잘 파악할 수 있었을 것이다. 공기로 전파되는 바이러스 확산 억제와 관련하여, 빌 크리스티안슨(Bill Christianson)은 “우리가 얼마나 효율적일 수 있는지 스스로 충분히 알지 못 하는 것 같다”라고 말했다.

크리스티안슨은 테네시주 헨더슨빌(Hendersonville, Tennessee)에 있는 돼지 개량 회사 PIC(Pig Improvement Company)를 이끄는 역학자이자 수의사이다. PIC는 우량 번식 돼지를 돼지 농장에 판매하고 있으며, 지난 34년 동안 바이러스성 질병인 생식 및 호흡기 증후군(Porcine Reproductive and Respiratory Syndrome, PRRS) 예방을 위해 싸워왔다. (퍼스라고 읽는다.)

이 바이러스는 돼지에 청이병(blue ear disease)을 일으킬 수 있다. 이 병의 가장 눈에 띄는 증상은 귀가 파랗게 변하는 것이다. 청이병이 1980년대 처음 발생했을 때는 단순히 돼지 괴질(mystery swine disease, MSD)이라고 불렸다. PRRS에 감염된 모돈(母豚)은 유산이나 사산을 하거나, 미숙아 돼지를 낳는다.

크리스티안슨은 “인간에게 코로나바이러스가 위험한 것보다 청이병이 돼지에게 더 치명적이다”고 강조했다.

PRRS 같은 전염병 확산 방지를 위해, 양돈 농가는 우리에게 익숙한 코로나19 확산 방지 조치와 비슷한 방역 절차를 따른다. 돼지 축사에 들어가기 전에 체온을 측정하고, 샤워를 하고 옷을 갈아입는다. 도시락은 자외선 살균을 거치고 도구에 소독제를 뿌려 살균한다. 그런 다음 돼지와 마지막으로 언제 접촉을 했는지에 관한 설문지를 작성한다. 근무시간 외 돼지와 접촉한 적이 있는지, 많은 사람들이 모이는 행사에 간 적이 있는지 등을 묻는다. (해당 사항이 있는 경우 업무에서 2주간 격리된다.)

예방 조치에도 불구하고 바이러스가 확산되기도 한다. 바이러스가 퍼지기 시작하면 인근 구역에 급속하게 퍼진다. 신속한 개체 수 감소 (즉, 살처분)이 바이러스를 제거하는 가장 효과적인 방법이다. PRRS가 심한 해에는 미국 돼지 농가들의 피해액이 6억 달러에 달한다.

현재 PIC는 영국 동물유전학 회사 제누스(Genus)의 한 부서로서 새로운 시도를 하고 있다. 동물을 격리하는 대신 전염병에 면역력을 가진 돼지를 생산하고 있다. PIC는 미국 중부의 실험 시설(안전 문제로 위치는 비공개다)에 돼지 체외수정(IVF) 센터와 연구실을 두고 돼지 난자의 유전자를 유전자가위(CRISPR)로 편집하고 있다.

시설에 대한 디지털 투어를 하는 동안 한 직원이 스마트폰을 들고 유전자 편집 시설을 거쳐 양돈 임신 구역으로 들어갔다. 모돈은 분만하기 전까지 9개월을 이곳에서 지낸다. 직원은 유전자가 조작된 새끼 돼지들이 꿀꿀거리며 카메라를 응시하는 콘크리트 방으로 우리를 안내했다. 회사에 따르면, 유전자가 편집된 어린 돼지들은 바이러스가 결합하는 분자 수용체 자체를 갖고 있지 않기 때문에 PRRS에 면역력이 있다.

바이러스는 세포와 융합해 자신의 유전 물질을 주입하며 세포를 공격한다. 코로나19의 경우 바이러스는 기도와 폐 세포에 퍼져 있는 ACE-2 수용체와 결합한다. 이는 코로나19가 호흡 문제를 유발하는 원인이 된다. PRRS의 경우 백혈구 세포의 CD163가 수용체이다. 이 실험용 돼지의 경우 CD163 유전자의 일부가 유전자 편집으로 제거되었기 때문에 완전한 CD163 유전자를 가지고 있지 않다. 수용체가 없기 때문에 PRRS에 감염되지 않는다.

“나는 이것이 모든 문제를 해결할 방법이라고는 생각하지는 않았다… 그러나 유전자 편집은 돼지 품종에 상관없이 적용 가능하고 모든 바이러스 변종에 대응할 수 있다.”

빌 크리스티안슨

회사의 미발표 연구에 따르면, 유전자 편집 돼지를 PRRS에 감염시키려는 시도는 실패했다. 크리스티안슨은 “나는 이것이 모든 문제를 해결할 방법이라고 생각하지는 않았다”라며 “그러나 유전자 편집은 돼지 품종에 상관없이 적용 가능하고 모든 바이러스 변종에 대응할 수 있다”라고 말했다.

인간에게 유전자 편집이 시도된 악명 높은 실험이 있었다. 2018년 인간 배아 유전자를 편집하여 에이즈를 일으키는 HIV에 면역력을 가지도록 개량하는 끔찍한 실험이 중국에서 이뤄졌음이 드러났다. 이 연구자들도 돼지의 경우와 마찬가지로 수용체를 제거하여 질병을 억제하려고 했다. 문제는 당시 기술력으로는 유전자 편집을 안전하게 할 수 없었다는 점이다. CRISP 기술은 다용도로 사용 가능하지만 정확도는 떨어진다. 결국 당시 DNA 편집 실험을 통해 탄생한 쌍둥이들은 유전자에 훼손을 입었다.

지난 9월 이 분야의 한 고위급 인물은 “효과적이고 안전하게, 부작용 없이 정확한 처치가 가능하다는 사실이 명확해질 때까지는 누구도 유전자 편집으로 인간 배아를 조작해서는 안 된다”라고 말했다.

그러나 돼지의 경우, 유전자 조작 시대는 이미 도래했으며 유전자 조작으로 인한 혜택도 곧 가시화될 것이다. 제누스는 빠르면 2025년 미국과 중국에서 자사 유전자 변형 돼지 판매 허가를 받기 희망한다. 실험 사육장에는 이미 수백 마리의 유전자 편집 돼지와 유전자 편집 돼지들이 낳은 수천 마리의 새끼들이 자라고 있다.

일리노이대학(University of Illinois)에서 PRRS에 내성이 있는 동물을 만드는데 관여했던 레이먼드 로우랜드(Raymond Rowland) 연구원은 “유전자 편집은 넓은 의미에서 돼지와 양돈업자에게 더 나은 삶을 만드는 기술”이라며 “유전자 편집 돼지는 바이러스에 감염되지 않는다. 백신도, 질병 검사도 필요 없다. 질병과 관련된 모든 숙제가 없어진다”라고 말했다.

GMO 메뉴: 빠르게 자라는 연어와 천천히 헤엄치는 참치

연관 기사. 매사추세츠(Massachusetts) 소재 한 생명 공학 회사는 자사의 유전자 변형 연어를
시장에 곧 출시할 예정이라고 발표.

우량 돼지

올더스 헉슬리(Aldous Huxley)의 소설, 멋진 신세계(Brave New World)는 ‘공동체, 동일성, 안정성’이라는 표어 아래 인공 수정을 통해 미래 사회의 인간들이 생산되는 ‘런던 인공 부화소’를 배경으로 한다. 제누스 시설의 표어의 대부분 온도 확인과 손 씻기에 관한 것이지만 콘셉트는 크게 다르지 않다. 모든 돼지는 유전적 특성에 따라 번호가 매겨지고, 모니터링되며, DNA 검사를 받는다.

제누스는 가장 건강하고 빠르게 자라며 가장 많은 새끼를 낳도록 선택된 동물을 관리한다. 제누스가 ‘엘리트 생식질 (elite germplasm)’이라고 부르는 이 동물들은 ‘증식 농장’에서 태어나고 아이오와에서 베이징에 이르는 모든 곳의 양돈업자들이 구입하여 더 많이 번식시킨다.

제누스는 DNA 염기서열 분석 기술을 활용해 수년간 우성 형질을 가진 돼지를 식별하고 번식 프로그램을 운영했다. 제누스는 2015년 카리부 바이오사이언스(Caribou Biosciences)와 돼지와 소 유전자 편집 기술을 독점 사용하는 라이선스를 얻었다. 카리부 바이오사이언스는 지난 10월 CRISP를 개발한 공로로 노벨상을 수상한 캘리포니아 버클리대학 제니퍼 다우드나(Jennifer Doudna) 교수가 창립한 회사이다.

제누스는 유전공학에 대한 전문 지식이 없었기 때문에 식물유전공학자를 고용하기 시작했다. 엘레나 라이스(Elena Rice) 최고기술책임자(CTO)도 그중 하나다. 그는 러시아 태생 유전학자로 몬산토(Monsanto)에서 18년을 지내며, 생장과 발육이 우수하고 가뭄에 강한 유전자 변형 옥수수를 개발했다. 라이스는 “식물에게선 감정을 느낄 수 없었다”라며 “작은 돼지나 소에게서는 감정을 느낄 수 있다. 여러분도 동물들을 안아주고 싶고, 동물들이 건강하길 바랄 거다. 동물들도 어린아이와 같다. 동물들이 아프길 바라는 사람은 없다”라고 말했다.

제누스 연구소는 많은 돼지를 대상으로 신속하게 유전자 편집을 처리할 수 있는 시설을 갖추었다. 암퇘지들은 마취 후 바로 수술실로 옮겨지고 수의사는 암퇘지의 난소에서 난자를 제거한다. 제거된 난자들은 실험실로 보내져 수정되고, CRISPR 유전자가위 처치를 받는다. 유전자 편집 이틀 후, 몇 개의 세포로 분열한 배아 세포를 대리 모돈에게 이식한다.

CRISPR는 DNA의 특정 부분을 자르는 기술로 알려져있다. 하지만 실제 현장에서는 무작위적인 측면도 있다. 게놈의 한 지점을 편집하면 변화는 몇 가지 다른 방식으로 일어날 수 있다. 유전자 편집이 되지 않았던, 멀리 떨어진 다른 부분에서 계획하지 않은 변형, 즉 ‘표적 이탈(off targets)’이 나타날 수 있다.

식물에서는 이러한 임의성 문제는 없다. 하나의 씨앗에 유전자 조작이 성공하면 비교적 빠르게 100만개로 증식할 수 있다. 하지만 돼지의 경우, 번식을 위한 돼지 개체군을 만들기 위해서는 많은 동물에서 동일한 유전자 편집을 수행하는 것이 필수적이다.

제누스 연구자들은 돼지 세포의 CD163 유전자에 가능한 많은 유전자 편집을 시도해, 가장 예측 가능한 변화가 일어나는 유전자 편집 작업을 골라냈다. 하지만 이런 노력에도 불구하고, 돼지 중 20-30%만이 적합한 유전자를 가지고 태어났다. 게놈에 문제가 있는 돼지들은 결국 퇴비 더미에 묻힌다. 이 연구 프로그램의 선임 연구원인 분자생물학자 마크 시건(Mark Cigan)은 “이 기술은 단순하지 않다. 연구자는 이 기술에 능숙할 수도 능숙하지 않을 수도 있다”라며 “모든 돼지에서 예측 가능한 변화가 일어나게 해야 하기 때문에 기술을 철저히 시행해야 한다. 유전자는 매번 동일하게 조작되어야 한다”라고 말했다.

인플루엔자 근절에 유전자 편집 기술 활용

PRRS가 미국 농가에 여전히 큰 골칫거리이지만, 제누스 등 관련 기업들은 다른 바이러스에도 내성을 갖는 돼지 개발도 추진 중이다. 기업들은 유전자 편집 기술로 2018년 중국에 창궐해 중국 내 돼지의 절반을 폐사시킨 아프리카돼지열병(African swine fever)에 내성이 있는 돼지를 만들 수 있을지 연구하고 있다. 로우랜드(Rowland)는 유전자 편집 돼지는 바이러스가 돼지에서 인간에게 전염될 위험성도 낮추는 간접적 효과도 있다고 설명한다.

코로나바이러스의 시발점은 여전히 밝혀지지 않았지만, 일반적 견해는 이 바이러스가 동물에서 인간에게 전염된 동물원성 감염증이라는 것이다. 돼지는 신종 코로나 바이러스에 걸리지 않기 때문에 코로나19와는 관련성은 없다. 하지만 양돈장은 유행성 독감의 시발점으로 악명이 높다. 돼지는 돼지 독감은 물론, 조류 도감과 인간 인플루엔자 감염에 취약하기 때문이다. 돼지는 여러 독감 바이러스 DNA가 서로 섞이는 위험한 혼합 용기가 될 수 있다.

이러한 유전적 유전자 재편성으로 사람이 면역을 갖고 있지 않은 새로운 독감 바이러스가 갑자기 생성되어 퍼져나갈 수 있다. 2009 H1N1 돼지 독감은 조류와 돼지, 인간에셔 유래한 감염 요소를 모두 갖고 있었다. 당시 미국에서는 약 6,100만 건의 확진자가 발생했으며, 30만명이 입원했고, 1만 2,500명이 사망했다. 치명적이었던 1918년 독감은 미국에 ‘돼지 독감(hog flu)’을 동반했다. 비록 이들 사이의 연관성은 입증되지 않았지만 말이다.

제누스는 작년부터 켄자스주립대학(Kansas State University) 위르겐 리히(Jürgen Richt) 교수가 진행하는 인플루엔자에 면역이 있는 돼지 유전자 개발 연구를 지원하고 있다. 독감 바이러스가 빠르게 진화하기 때문에 리히는 독감 바이러스에 완전히 면역력이 있는 돼지를 만들 수 있다고 확신하지는 않는다. 다만 병원균의 확산을 점진적으로 줄여 또 다른 팬데믹이 일어날 가능성을 줄일 수 있기를 바란다. 리히는 “복제가 적어지면 돌연변이와 유전자 재편성이 훨씬 줄어든다. 최종적으로 바이러스의 진화가 훨씬 줄어든다는 것이다”라고 설명한다.

리히는 “인플루엔자와 결합하는 수용체가 매우 많기 때문에 이들 수용체를 없애는 방법을 쓰면 살아남을 동물이 없다”라고 설명한다. 그래서 그의 연구는 독감 바이러스나 코로나19가 세포에 침투하기 위해 도움 분자로 사용하는 단백질인 프로테아제(proteases)를 제거하는 것을 목표로 한다. 많은 유형의 독감이 있기 때문에 하나 이상의 프로테아제를 제거하는 것이 필수적이다. 하지만 너무 많은 유전자가 제거된 돼지가 생존할 수 있을지 의문이다. 돼지가 젠가 탑이라면 몇 개의 블록을 빼낼 때까지 돼지가 살아남을 수 있을까?

리드히는 “유전자 제거에 제한이 있는지 알 수 없다. 그것이 우리가 시행착오를 마다 않는 이유”라며 “우리가 원하는 것은 돼지가 모든 종류의 인플루엔자에 면역력을 가지게 하는 것”이라고 말한다.

아직 하나의 수용체만 제거해 PRRS에 면역력을 가진 돼지가 건강한지, 다른 부분에 문제는 없는지 분명하지 않다. 시건은 회사는 그렇게 생각한다고 말한다. 연구자들도 돼지의 사료 섭취량이나 체중 증가와 같은 지표를 측정하는 테스트 결과에서 별다른 징후를 찾아볼 수 없다. 그러나 계획되지 않은 변이는 미묘하게 일어날 수 있다.

리히는 과거 10년간 광우병에 면역력이 있는 소를 만드는 연구를 해 왔다. 유전자 하나를 제거한 후, 그는 무언가 변화를 감지했다. 그는 “소들이 서 있는 모습이 우스꽝스러웠다. 소들을 뒤로 가게 하는 것이 어려웠다”라며 “관리인이 소들이 멍청하다고 말한 것으로 보아  유전자 조작이 소의 지능에 영향을 미친 것 같다”라고 말했다. 연구 대상이 된 소가 12마리밖에 없었기 때문에 장담할 수는 없지만, 그는 유전자 조작으로 인해 소가 생존에 필수적이지 않지만 없으면 감각 시스템의 저하로 이어지는 기능을 잃은 것 같다고 의심한다.

흑사병

돼지는 해부학적으로 인간과 매우 유사한 종으로, 의사들은 언젠가 돼지의 신장을 인간에게 이식하기를 희망하고 있다. 돼지의 유전자를 완벽하게 편집할 수 있다면, 이것이 인간에게 갖는 함의는 무엇인가? 인간 유전자 조작과 관련된 토론은 보통 아기의 눈 색깔이나 지능을 변화시키는 것이 윤리적인지와 같은 도덕적 질문으로 귀결된다. 그러나 돼지 부화장이 보여주듯 CRISPR는 최악의 감염병에도 대항할 수 있는 선천적 ‘유전 백신(genetic vaccines)’을 제공할 수 있다.

인간 배아를 유전자 가위 기술로 편집해 HIV 감염에 내성을 갖도록 한 중국인 과학자들은 그저 이러한 혁명적 발전을 추구한 것이다. 그리고 그들이 직면한 문제는 제누스가 직면한 문제와 유사하다. 즉, 그들은 자신들이 편집한 유전자를 완전히 제어할 수 없고, CCR5이라는 하나의 유전자를 건드리는 것이 어떤 예상치 못한 결과를 초래할지 알지 못 했다. 실험을 반복해 결과를 검증할 수도 없었다. 더구나 약물로 HIV를 제어할 수 있게 된 지 이미 수십 년이 된 상황에서 이런 위험한 시도가 의학적으로 반드시 필요했는지도 의문이다.

돼지는 해부학적으로 인간과 매우 유사한 종으로 일부 의사들은 돼지 신장을 언젠가는 인간에게 이식하기를 희망한다. 돼지의 유전자를 완벽하게 편집수 있다면, 이것이 인간에게 갖는 함의는 무엇인가?

중국 과학자들의 유전자 편집 시도가 실패한 후, 미국과 영국의 학계는 유전자 편집 기술이 유전적 ‘향상’을 위해 쓰여서는 안 되며 겸상적혈구병(sickle-cell disease, SCD)과 같은 유전병의 발병을 막는 등의 제한적 목표에 적용되어야 한다고 말한다.유전자 편집 기술이 인간 생식에 적용할 수 있을 정도로 안전해진다 해도 말이다.

하지만 미래의 전염병에 대항하는 해결책으로 유전자 편집 기술을 완성하는 것이 중요하다는 의견도 만만치 않다. 후손들의 유전자에서 수용체를 제거하는 것이 백신이나 약으로 제어될 수 없고 면역력이 길러지지 않는 미래의 심각한 질병에 대한 인류의 최후 대비책이 될 수 있기 때문이다.

하버드 의대 학장 조지 댈레이(George Daley)는 2018년 홍콩에서 “인류는 미래의 위협에 대항하기 위해서라도 우리 자신의 유전자에 대한 통제력 유지에 필요한 유연성을 가져야 한다”고 말했다. 또한 그는 팬데믹에 대한 저항성 확보를 인간 유전자 편집 기술 개발의 이유 중 하나로 꼽았다.

코로나 바이러스는 새로운 바이러스가 전 세계적으로 폭발적으로 퍼질 수 있다는 것을 보여주었다. 새로운 코로나 바이러스로 인한 인한 사망률(약 0.5%)은 미미하며, 인류의 생존에 심각한 위협은 되지 않는다. 하지만 차후 중세 시대 유럽 인구의 3분의 1 이상을 죽인 흑사병과 같은 팬데믹이 발생한다면 어떨까? 물론 소행성 충돌과 마찬가지로 가능성은 희박하다. 하지만 유전자 편집 기술로 인간이 특정 바이러스에 저항력을 갖도록 한다면 유전자 편집 기술은 충분히 인류의 비장의 무기가 될 수 있다.

제누스 과학자들은 동물에 대한 지식을 바탕으로 판단할 때, 인간 유전자 편집은 공상과학 소설 같기는 하지만 불가능하지는 않다고 말한다. 20년 전만 하더라도 라이스는 인간 유전자 편집은 순수한 허구라고 말했을 것이다. 하지만 지금은 다르다. 그는 “우리는 현재 동물을 대상으로 유전자 편집을 할 수 있다”라며 “우리는 기술을 가지고 있다”라고 말한다. 

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