포스트 게놈과 바이오 혁명의 시대,
생명 과학의 핵심을 꿰뚫는 17가지 질문들!
이 책을 만나는 것은 행운이 아닐 수 없다!
―김빛내리(서울 대학교 생명 과학부 석좌 교수)
우리 시대 생명 공부를 향한 최고의 동반자
―전철(한신 대학교 신학 대학원 원장)
최근 10년간 생명 과학은 아주 빠른 속도로 발전하고 있다. 유전자 편집을 가능케 한 CRISPR-Cas9 유전자 가위 기술은 인류를 오래 괴롭혀 온 유전병인 겸상 적혈구 빈혈증의 치료법을 개발해 냈고, mRNA를 이용한 면역 치료제 연구는 전 세계를 패닉에 빠트린 코로나19의 백신 개발로 이어졌다. 현대 생명 과학은 물리학, 화학 등의 기초 과학부터 정보 기술과 인공 지능 기술까지 아우르며, 학계는 물론이고 산업계와 정치, 경제계까지 우리 사회와 문명을 전방위적으로 흔드는 융합 학문으로 눈부신 발전을 거듭하고 있다. 이렇게 우리가 아는 것, 할 수 있는 것이 늘어남과 동시에 ‘생명’을 둘러싼 과학적 수수께끼는 한층 더 깊어지고 있으며, 그 윤리적, 철학적, 종교적, 법률적 함의 역시 묵직해지고 있다.
이번에 ㈜사이언스북스에서 펴낸 『송기원의 생명 공부: 17가지 질문으로 푸는 생명 과학 입문』은 생명 과학의 가장 근본적인 질문에서 출발해 차근차근 생각거리들을 돌아보는 교과서이자 지표와도 같은 책이다. 대한민국에서 생명 과학과 그 사회적 함의를 치열하게 고민해 온 송기원 연세 대학교 생명 시스템 대학 생화학과 교수가 평생에 걸쳐 탐구해 온 생명 과학의 의미가 온전히 담겨 있다.
송기원 교수는 전작 『송기원의 포스트 게놈 시대』(사이언스북스, 2018년)에서 인류 문명이 생명의 정보를 읽어 내는 게놈 시대를 넘어 생명체를 편집하고 재창조하는 포스트 게놈 시대로 이미 넘어왔음을 설파한 바 있다. 이번 책은 현대 생물학의 최전선에서 한 걸음 물러나 자기 공부의 근본을 되돌아본다. “생명이란 무엇인가?”나 “생명은 어떻게 시작되었는가?” 같은 생명 과학을 공부한 적이 있는 사람이라면 한 번쯤은 품어 봤을 아주 기초적인 질문에서부터 “생명은 어떻게 나와 타자를 정의하는가?”나 “생명 과학은 어떤 윤리적 질문을 던지는가?” 같은 윤리적, 철학적 질문까지 17가지 가장 오래되었으나 언제나 새로운 질문들을 던지며 생명 과학의 이모저모를 소개하고 있다. 연세 대학교 인문 사회 계열 학생들을 대상으로 20여 년간 인기리에 진행되어 온 교양 수업 ‘생명 과학이란 무엇인가’의 핵심을 엮어 만들어진 이 책은 CRISPR-Cas9 유전자 가위 기술의 확산과 코로나바이러스 감염증 팬데믹을 거치면서 다음 단계로 진화하고 있는 현대 생명 과학의 전모를 확인시켜 줄 것이다.
생명에 대한 모든 질문에 대한
대답을 찾아서
20세기에 생물 속에 그 생물을 만들어 내는 레시피 DNA가 있다는 사실을 발견했다면 21세기에는 인류가 그 레시피를 마음대로 읽고 자유자재로 고쳐 쓰는 힘을 가진 종으로 거듭났다.
―이대한(성균관 대학교 생명 과학과 교수)
과학과 기술이 융합되고 발전하는 시대, 우리는 많은 사회적 비용을 치르며 생명과 관련된 과학이 우상화되거나 객관성을 상실할 때 일으키는 문제점을 경험하고 있다. 생명의 가장 큰 특징인 생로병사를 조절하려는 인류의 시도가 어떤 결과를 불러올까? 유전자 조작 식품을 먹어도 되는지, 유전자 검사가 정말 질병에 도움이 되는지, 아이에게 성장 호르몬 주사가 필요한지 고민할 새도 없이 새로운 기술이 쏟아진다. 황우석 사건과 광우병 사태를 겪은 ‘문과’ 학생들은 수업 시간 토론에 그치지 않고 앞으로 자신들이 정책 입안자가 되었을 때 생명과 관련된 먹을거리나 연구 보안이 얼마나 중요한지, 투자 전문가가 되었을 때 어느 분야에 투자하는가 어떻게 판단할 수 있을지, 언론인이 되었을 때 생명 과학 내용의 무엇을 어떻게 보도해야 하는지, 법의 집행자가 되었을 때 생명과 관련해서 어떤 기준으로 판단해야 하는지 저마다 새로운 질문을 떠올린다. 이 책을 읽는 누구라도 과학과 대중의 원활한 커뮤니케이션을 위한 실마리를 잡을 수 있을 것이다.
1장 「생명이란 무엇인가?」는 생명의 본질을 추구하는 가장 기본적인 질문으로 시작한다. 과학적으로 생명을 어떻게 정의할까? 생명체와 무생물을 어떻게 구별할까? 인간이란 무엇일까? 현대 과학과 기술의 발전은 생명체와 무생물, 삶과 죽음 사이의 경계를 계속 모호하게 만들며 전통적인 생명체의 정의에 대해 여러 가지 도전적인 질문을 던지고 있다. 현재 과학 기술의 발달 속도가 이러한 질문에 대한 해답을 구하는 사회적 과정보다 훨씬 더 빠르기에 여전히 답을 찾아가는 중이다. 그러나 혼란스럽더라도 생명체로서 정체성을 찾아가는 것이기에 그 해답을 찾는 과정을 포기할 수는 없다.
2장 「생명은 어떻게 시작되었나?」는 생명의 기원을 찾아 떠난다. 생물 자연 발생설의 오류는 어떻게 밝혀졌을까? 산소가 없던 원시 지구, 최초의 생명은 어디서 왔을까? 외계 생명체는 존재할까? 루이 파스퇴르는 S자 유리그릇 세균 배양 실험으로 생물이 저절로 생기지 않음을 증명했다. 찰스 다윈은 인간이 특별한 생명체가 아니고 지구의 모든 생명체가 공유한 논리인 진화에 의해 지구에 출현한 여러 생물 종 중 하나에 지나지 않는다는, 인간에 대한 보편적 인식 전환의 틀을 제공했다.
3장 「생명체는 무엇으로 만들어졌는가?」는 생명의 구성을 분석하는 것으로 시작한다. 생명체가 다양한 화합물로 구성된 유기물이라면 그 조합은 어떻게 이루어졌을까? DNA와 RNA는 어떤 점이 다른가? 생명 유지에 중요한 기능을 하는 다양한 단백질의 입체 구조는 얼마나 밝혀졌을까? 모든 생명체는 단백질, 탄수화물, 핵산, 지방의 고분자 화합물이 모여 있는 복합체로 유전 정보를 간직하고 있다. 최근에는 인공 지능을 이용해 기존 구조가 알려진 단백질들의 아미노산 순서와 구조를 학습시켜 아미노산 순서로부터 구조를 예측하는 플랫폼이 계속 개발되고 있다.
4장 「생명의 기능 단위는 무엇인가?」는 생명의 단위를 세포 단계에서 분석해 낸다. 단세포 생물과 다세포 생물, 원핵세포와 진핵세포를 자세히 들여다보며 생명을 유지하기 위해 세포 속 작은 기관들의 기능을 알아보고 있다.
5장 「생명의 정보는 어떻게 작동하는가?」에서는 한 세대에서 다음 세대로 전해지는 생명의 정보인 유전 인자를 다룬다. DNA는 어떻게 유전 물질로 작용할 수 있을까? 생명체가 DNA의 염기 서열 내에 담겨 있는 정보를 이용해 생명을 유지하는 방법은 무엇일까? DNA→RNA→단백질로 이어지는 유전자 해독법은 모든 지구 생명체의 모든 세포에서 동일하기에 센트럴 도그마(central dogma)다. 최근의 생명 과학 연구 결과들은 인간에 대한 이해에 본성과 양육이라는 이분법적 사고로 접근하는 것이 한계가 있음을 보여 주고 있다. DNA와 환경이 상호 작용하면서 만들어 내는 다이내믹한 오케스트라의 음악이 바로 생명이고 인간이기 때문이다.
6장 「유전 정보의 해독과 그 의미는 무엇인가?」는 생명 정보의 해독을 자세히 설명한다. 유전체 해독 프로젝트의 목적을 무엇일까? PCR 검사 원리는 무엇일까? 중합 효소 연쇄 반응(PCR)은 한 분자의 이중 나선 DNA 조각으로부터 DNA의 원하는 부분을 복제하고 증폭시킬 수 있는 분자 생물학적 기술이다. 생명체의 유전 정보를 읽고 해독해 생명체의 비밀을 풀고 싶어 하던 인류는 더 많이 유전 정보를 읽어 내면 더 많은 가능성이 열릴 것이라고 기대하고 있었던 듯싶다. 이제 유전 정보에 대해 더 많이 알게 되었고 우리가 갈 수 있는 곳은 많아졌다. 그런데 인류는 이제 정말 어디로 가고 싶은 것일까?
7장 「인간에 의한 생명의 변형은 무엇을 의미하는가?」는 인류의 역사와 함께해 온 생명의 변형과 합성 과정을 돌이켜보고 미래를 전망하고 있다. 수천 년 동안 소위 품종 개량을 해 오던 생명체의 변형은 20세기 후반 유전 공학의 등장과 함께 전환기를 맞이했다. 생명체를 합성하는 합성 생물학의 시대는 어떻게 시작되었을까? 합성 생물학이 단지 새로운 경제적 이익을 창출할 수 있는 신기술 정도로만 인식되고 안정성, 보안 문제, 규제 등에 대해 정책적 고민이나 열린 논의가 없다는 점은 경계하지 않을 수 없다.
8장 「생명체의 교정과 편집에 경계가 있는가?」에서는 2013년 이후 CRISPR-Cas9 유전자 가위에 힘입은 생명의 교정과 편집의 범위는 어디까지인지 살펴본다. 2018년 인류 최초로 인간 수정란의 특정 유전자를 교정한 쌍둥이가 태어나 유전자 재조합 기술의 논란에 불이 붙었다. 과연 맞춤 아기를 우월한 인간 탄생의 가능성과 동일시해도 될까? 공상 과학이 현실에서 구현되면서 기술의 한계와 가능성을 직면해야 하는 때가 되었다.
생명이란 무엇인가?
과학과 윤리 두 마리 토끼를 잡는 법
생명 과학의 시대, 최고의 융합 교과서
―장대익(가천 대학교 창업 대학 석좌 교수)
저자의 목소리에 귀를 기울이면 우리의 바람직한 미래에 대한 생각이 열려 나가리라 기대한다.
―강금실(전 법무부 장관)
9장 「어떻게 생명이 다시 생명을 만드는가?」에서 고찰하는 생명의 재생산은 가장 작은 생명의 단위인 세포의 복제부터 출발한다. 세포는 언제 어떻게 자신이 세포 주기를 진행해야 하는지 알게 될까? 세포는 주위 환경, 자신이 속한 생명체의 요구에 아주 민감하게 반응하면서 자기 복제를 조절한다.
10장 「어떻게 하나의 세포에서 생명체가 만들어지는가?」는 생명의 발생과 분화를 자세히 살펴본다. 어떻게 하나의 수정란이 발생 후에는 정해진 기능만 수행하는 세포들로 분화될까? 인위적으로 이미 분화된 세포를 다시 줄기 세포의 특성을 갖도록 유도할 수 있는 원리는 무엇일까? 모든 세포로 분화할 수 있는 전능의 배아 줄기 세포와 유도 만능 줄기 세포, 조건에 따라 다양한 세포로 분화할 수 있는 성체 줄기 세포의 기능이 알려지면서 줄기 세포는 인류에게 새로운 희망이 되었다. 시간이 걸리더라도 먼저 어떻게 체내에서 줄기 세포의 분화와 조절이 결정되는지와 같은 기본적 생명 현상에 대한 연구가 선행되어야 한다.
11장 「인간에 의한 생명 재생산 조절이란 무엇인가?」는 생명 재생산 기술의 의미를 들여다본다. 생명에 관한 기술을 손에 넣은 인류는 어디로 가고 있는가? 시험관 아기와 재생산 조력 기술의 발달로 이제 우리는 부모를 어떻게 정의해야 할까? 체세포 복제가 생명체를 재생산하는 방식이 된다면, 무엇이 인간을 인간이게 하는가?
12장 「생명체는 왜 늙어 갈까?」는 죽음을 향해 가는 생명과 노화를 다루고 있다. DNA 손상이 축적된 결과가 바로 노화다. 생명 유지 과정에서 필수적인 변이 역시 생명 과정에 포함된 것이다.
13장 「미생물과 바이러스는 공포의 대상인가?」에서는 생명과 감염의 원리를 살펴본다. 슈퍼 세균은 무엇인가? 광우병의 원인은 무엇인가? 인류는 생태계를 가능하게 하는 주역인 미생물과 바이러스를 이해하고 그들의 생존 원리를 연구하며 생태계의 일원으로 살아가고 있다.
14장 「생명은 어떻게 자극을 인지하고 전달하는가?」는 생명체가 적절하게 반응할 수 있도록 변화와 자극을 감지하고 분석하는 신경계를 살펴본다. 10억 개의 뉴런은 어떤 역할을 할까? 도파민은 어떤 기전으로 작용할까? 인간은 생각하기 위해서만 존재하는 생명체가 될 수 있을까?
15장 「생명은 어떻게 나와 타자를 정의하는가?」는 생명과 정체성을 설명하며 생명체의 면역 체계를 다양한 관점에서 분석하고 있다. 혈액형은 왜 다를까? 장기 이식과 면역 억제 반응은 어떻게 이루어지는가?
16장 「어떻게 생명은 환경 변화에 대해 최적 상태를 유지하는가?」에서는 생명과 항상성 조절의 관계를 면밀하게 들여다본다. 호르몬은 어떻게 작용할까? 내분비계와 자율 신경계는 생명체가 평안하게 유지되도록 균형을 맞추는 중이다.
17장 「생명 과학은 어떤 윤리적 질문을 던지는가?」에서는 생명과 윤리에 관한 질문을 정리한다. 인간 유전체 정보, 맞춤 아기, 유전자 가위, 줄기 세포, 합성 생물학, 신경 전달 조절 약물, 장기 이식 등의 기술을 포기할 수는 없을 것이다. 다만 어디까지가 예방과 치료가 꼭 필요한 질병이고 어디부터가 단순히 생명체의 능력을 증가시키는 강화인지 그 구분이 쉽지 않다는 점에 어려움이 있다.
생명 과학에 대한 공부는 결국 인간이란 무엇인가에 대한 질문을 던지게 한다. 무엇이 생명체로서 인간을 인간답게 하는가의 질문이다. 병에 걸리지 않고 무병장수하며 모두 아름다운 외모를 갖는다면 우리는 더 인간답게 되는가? 인간은 결국 결핍된 불완전한 존재기에 인간이 아닌가? 인간을 생로병사를 갖는 하나의 생물 종으로서 받아들이고 생태계에서 다른 생명체와 함께 살아남기 위한 지혜를 공유할 수 있도록 하는 『송기원의 생명 공부』를 통해 인간다움을 다시금 발견할 수 있을 것이다.
• 이 책은 『생명: 그 아름다운 비밀에 대해 과학이 들려주는 16가지 이야기』(로도스출판사, 2014년)을 바탕으로 그 내용을 수정하고 새로운 장을 추가한 것입니다.
책을 새로 내며 5
서문 왜 이 책을 쓰는가? 13
1장 생명이란 무엇인가?: 생명의 본질 27
2장 생명은 어떻게 시작되었나?: 생명의 기원 39
3장 생명체는 무엇으로 만들어졌는가?: 생명의 구성 57
4장 생명의 기능 단위는 무엇인가?: 생명의 단위 81
5장 생명의 정보는 어떻게 작동하는가?: 생명의 정보 99
6장 유전 정보의 해독과 그 의미는 무엇인가?: 생명 정보의 해독 125
7장 인간에 의한 생명의 변형은 무엇을 의미하는가?: 생명의 변형과 합성 149
8장 생명체의 교정과 편집에 경계가 있는가?: 생명의 교정과 편집 167
9장 어떻게 생명이 다시 생명을 만드는가?: 생명의 재생산 189
10장 어떻게 하나의 세포에서 생명체가 만들어지는가?: 생명의 발생과 분화 207
11장 인간에 의한 생명 재생산 조절이란 무엇인가?: 생명 재생산 기술의 함의 229
12장 생명체는 왜 늙어 갈까?: 생명과 노화 245
13장 미생물과 바이러스는 공포의 대상인가?: 생명과 감염 269
14장 생명은 어떻게 자극을 인지하고 전달하는가?: 생명과 반응 295
15장 생명은 어떻게 나와 타자를 정의하는가?: 생명과 정체성 321
16장 어떻게 생명은 환경 변화에 대해 최적 상태를 유지하는가?: 생명과 항상성 337
17장 생명 과학은 어떤 윤리적 질문을 던지는가?: 생명과 윤리 351
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