형질전환동물을 생산하는 목적
형질전환동물이란 다른 종의 유전자를 삽입․조작함으로써 본래의 것과는 다른 유전적 특성을 갖게된 동물을 말한다. 다시 말하면 인위적인 DNA조작에 의해 만들어진 동물을 말하며 인위적으로 돌연변이를 만들어 내는 것이다. 이러한 형질전환동물을 만들기 시작한 목적은 산업적, 의학적으로 사용하기 위해서이다. 성장촉진에 관여하는 유전자나 산유 및 산란능력을 촉진하는 유전자를 이용하여 가축의 생산능력을 높일 수 있다.
특정질병에 저항성을 가지는 유전자를 도입하여 항병성을 가지는 동물을 만들 수 있다. 의약품과 같이 산업적으로 유용한 단백질 유전자를 도입한 형질전환 젖소나 닭을 생산함으로써 값비싼 단백질을 우유나 달걀로부터 생산할 수 있다. 유전병의 예방, 치료 및 진단을 위한 실험동물을 생산하여 인류의 질병퇴치를 위한 모델동물로 사용할 수 있다. 새롭게 형질전환된 품종이나 계통을 만듦으로써 가축육종을 효과적으로 할 수 있다. 의학과 산업이외에 복제기술을 이용해 전세계의 멸종위기 동물을 모두 구원하자는 야심찬 계획도 있다. 야생종이 멸종했을 때 복제기술을 이용해 이들을 되살려낸다는 구상이다.
형질전환동물을 생산하는 방법
1. 유전자재조합 과정을 거친후 수정란에 주입하는 방법
1) 흑염소 혈액에서 얻은 DNA로부터 젖 단 백질 중 β-casein 유전자 프로모터를 분리
2) 사람의 G-CSF 유전자를 분리 정제
3) 사람 G-CSF 단백질을 젖 단백질 만큼 많 이 생산
4) 재조합 유전자의 성능을 확인하기 위해 우선 생쥐에 도입
5) 생쥐 젖에서 G-CSF가 생산됨을 확인
6) 확인된 재조합 유전자는 흑염소를 형질전환시키는 실험에 사용
7) 흑염소를 자연교배 시킨 후 수정란을 채취
8) 사람 G-CSF 유전자를 가진 재조합 유전자를 미세 주입기로 삽입
9) 삽입된 수정란을 흑염소 대리모의 자궁 또는 난관에 이식하여 착상
10) 새끼 19 마리 중 암컷 한 마리가 사람 G-CSF 유전자를 가진 형질전환 흑염소
예) 형질전환 흑염소 메디
2. 난자의 핵을 제거하고 세포를 주입
1) 6년생 암양의 젖샘상피세포를 분리하여 시험관 내에서 배양한다.
2) 분리된 젖샘세포에는 모든 유전자가 존재하지만 젖샘세포가 필요로 하는 단백질을 만 드는 유전자만이 활성화된다.
3) 세포가 3～6번 분열하면 영양분을 제거한다. 영양분을 제거하면 세포는 휴면상태인 G0 시기로 유도되며, 핵이 초기 수정란의 상태로 돌아간다. 이 실험과정이 윌머트 박사로 하 여금 복제양을 만드는데 결정적인 기여를 하였다.
4) 검은 얼굴을 갖고 있는 양에서 성숙한 난자를 꺼내어 핵을 제거하여 무핵란을 만든다. 이로써 무핵란은 유전자가 완전히 제거되고, 이 자체로는 발생을 완성하지 못하고 초기 에 죽는다.
5) 전기적인 충격을 가하여 핵이 있는 젖샘세포와 무핵란을 세포 융합시킨다. 이 과정은 핵을 뽑아서 옮기는 전통적인 방법과는 다르지만 결국 핵을 이식하는 것과 마찬가지가 된다.
6) 상실기나 포배기에 이르면 가임신 상태의 대리모의 자궁에 이식한다. 이 때 세포는 배 양액에서 분열할 수도 있고, 세포융합 후 암컷의 수란관에 이식하면 관을 따라가면서 분 열하여 포배기에는 자궁에 착상하게 된다.
7) 약 150일 간의 임신기간을 거쳐 새끼양이 태어난다. 이 새끼양은 젖샘세포가 갖는 유전 자와 동일한 유전자를 갖는 클론이 된다.
예) 복제양 돌리
3. 레트로바이러스 벡터를 이용
재조합 레트로바이러스 벡터(retrovirus vector)를 이용하여 여러 가지 발달단계에 있는 수정란에 유전자를 삽입시키는 방법이다. 여러 발달단계에 있는 수정란에 유전자를 도입할 수 있고 한 개 분자(single copy)의 DNA 단편만을 도입할 수 있다는 장점은 있으나, 유전자의 크기 제한-6.0kb 이하 여야 한다-이 있고 mosaic한 동물이 나올 확률이 있다는 단점이 있다. 조류의 수정란에는 미세주입 방법이 용이하지 않으므로 이 방법을 많이 시도하고 있기도 하다.
4. 정자세포를 이용
수정란에 외래유전자를 미세주입하는 것이 매우 힘들고, 많은 시간이 소비되기 때문에 정자세포를 벡터로 이용하여 형질전환동물을 생산하려는 시도가 1989년 Lavitrano에 의해 생쥐에서 실시되었다. 이는 정자세포에 외래유전자를 화학적인 유전자 전이방법을 이용하여 외래유전자를 도입시킨 후, 이 도입된 정자세포를 암컷에 인공수정시켜 발생되는 자손의 개체를 분석하여 형질전환동물을 생산하는 시스템이다.
형질전환동물의 이용
1.학문적 이용
형질전환동물 시스템은 현대생물학의 많은 분야에서 이용할 수 있다. 형질전환동물에서 특정 유전자를 다량으로 발현시킴으로써 발현된 단백질의 기능을 규명할 수 있다. 형질전환동물을 이용하여 아직까지 알려지지 않은 중요한 유전자를 탐색해 낼 수 있기도 하다. 즉, 재조합 DNA가 숙주게놈의 유전자 X 내로 삽입될 경우 삽입변이(insertional mutation)에 의해 유전자 X의 기능이 상실되어 표현형에 이상이 있는 형질전환동물이 생산될 수 있다.
2. 질병치료제 검정에의 이용 및 질환모델로의 이용
형질전환동물은 질병치료제의 안전도 검정 및 유전질환모델로의 이용성이 크다. 형질전환동물은 살아있는 동물이므로 특정 치료제의 치료효과, 독성효과 등의 안전도 검정에 이용할 수 있고, 약품의 생체 내 대사과정, 저항성 및 약품간의 상호작용을 연구할 수 있는 모델로 이용할 수 있다. 형질전환동물을 이용할 경우 인간의 유전질환과 유사한 모델(변이체)을 창조해 낼 수 있어 질병에 관한 분자유전학적, 생화학적, 병리학적 및 발생학적인 기작을 규명할 수 있다. 앞으로 새로운 질병관련 유전자가 밝혀질 경우, 그 유전자를 이용하여 변이체를 창조해낼 수 있으므로 질환모델로서 형질전환동물의 이용성은 매우 크다 할 수 있다.
3. 농업에의 이용
돼지, 면양, 소 등 가축의 생산성 향상(사료효율, 증체량 향상 및 육질개선)을 위해서 여러 가지 유전자(growth hormone, growth hormone releasing factor, insulin like growth factor I, 닭의 c-ski 유전자)를 도입받은 형질전환동물을 생산하여 연구를 수행하고 있다. 생산품질의 향상을 위해서도 형질전환동물이 이용되고 있는데 그 예로써 고기 내 필수아미노산 생산, 계란 내 유용단백질 생산, 우유조성 개선(치즈생산을 위한 casein의 조성변화, 락토오스 조성변화, 우유의 모유화 등)에 관한 연구를 들 수 있겠다. 질병저항성 유전자(disease resistance gene)를 도입하거나 특정 질병에 대한 항체(antibody)를 생산해낼 수 있는 유전자를 도입하여 질병저항성 가축을 생산하려는 연구도 수행되고 있다.
4. 생명과학 관련산업에의 이용
의학적으로 중요한 치료물질 또는 생리활성물질은 인간의 질병치료와 건강한 노후생활을 위해서 계속적으로 그 수요가 증가하고 있다. 이러한 유용물질들은 미생물, 효모, 동물세포배양 등을 이용해서 생산하고 있는데, 형질전환동물을 이용할 경우 위 시스템들의 한계점을 해결해 줄 수가 있다. 형질전환동물을 이용할 경우 저렴한 생산비로 대량생산이 가능하고 생산물질의 역가가 우수한 물질을 생산할 수 있다. 비유기간에 면양, 산양 혹은 젖소는 대량의 젖을 생산해내므로 유용단백질 유전자를 도입받은 형질전환된 동물의 젖 내로 유용단백질을 대량으로 생산해낼 수 있다. 형질전환된 동물은 살아있는 동물이므로 미생물 또는 효모배양기법에서의 한계점인 해독 후 변형(post-translational modification - glycosylation, acetylation, phosphorylation, hydroxylation 등)을 할 수 있는 장점이 있어 역가가 우수한 단백질을 생산해낼 수 있다.
형질전환동물의 문제점
1. 기술적인 문제점
유전자 재조합을 통해 수정란에 주입하는 방법에서는 재조합유전자를 수정란에 주입하는 것이 매우 힘들고, 많은 시간이 소비된다는 것이다. 바이러스 벡터를 이용하는 방법에서는 바이러스 재조합에 size의 제한이 있고 적용하고자하는 종의 특이성이 있으며, genome을 건드리는 경우가 발생한다. 세포를 주입하는 방법에선 성공확률이 낮으며 성별을 선택하기가 어려우며 유전자결실이 된 동물이 생산될수 있다는 것이다.
2. 윤리적인 문제점
형질전환기술은 장차 생태계의 혼란을 초래할 수도 있을 매우 위험천만한 기법이다. 형질전환기술에 의해 이전에는 없던 새로운 종이 나타났을 때, 그것이 과연 생태계에 어떠한 영향을 끼치게 될지 누구도 장담할 수 없다. 우리 인류의 생활을 더욱 풍족하게 만들기 위해서 그 종을 개발해냈다고 하더라도, 만약 예측할 수 없었던 실수로 인해 인간의 통제를 벗어나서 그것이 자유로이 대량으로 번식하게 될 경우 생태계에 미치게 될 영향은 지구상의 모든 생물의 삶에 치명적인 해악으로 작용할 수도 있다.
한편, 형질전환기술의 남용이 가져올 더 심각한 문제는 바로 윤리적인 측면에서 찾을 수 있다. 형질전환은 다른 생명공학적 기법들과 마찬가지로 생명을 인간의 뜻에 따라 다루는 기술이다. 즉, 형질전환기술을 비롯한 생명공학적 기법들은 그 자체가 윤리적으로 심각한 문제를 야기할 수 있는 요소를 지니고 있다. 생명을 인위적으로 조작할 수 있게 됨으로써 당연히 생명이 지니는 존엄성이라는 가치는 훼손될 수밖에 없다.
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